Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВПРЫСКОМ В ЦИЛИНДР - Патент РФ 2119586
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВПРЫСКОМ В ЦИЛИНДР
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВПРЫСКОМ В ЦИЛИНДР

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВПРЫСКОМ В ЦИЛИНДР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Данное изобретение касается создания двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр. Нижняя стенка головки цилиндра (8), образующая указанную верхнюю стенку камеры сгорания (3), имеет форму двускатной крышки, которая образована являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой (8a) и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой (8b). Свеча зажигания (6) расположена в окрестности верхнего участка, имеющей форму двускатной крыши, верхней стенки камеры сгорания (3). Верхняя стенка поршня (2), которая образует нижнюю стенку камеры сгорания (3), имеет форму двускатной крыши, которая содержит являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку (2a), а также являющуюся стороной выпускного клапана наклонную верхнюю стенку (2b), которые выполнены соответственно являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенке (8а) и являющейся стороной выпускного клапана нижней стенке (8b) головки цилиндра (8). Являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка (2а) поршня (2) имеет полостной участок (25). Изобретение обеспечивает оптимальный эффект горения, позволяет достичь улучшения как газового ресурса, так и выходной мощности. 3 с. и 22 з.п.ф-лы, 64 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119586
Класс(ы) патента: F02B23/10, F02B17/00, F02F3/26
Номер заявки: 96124762/06
Дата подачи заявки: 27.03.1996
Дата публикации: 27.09.1998
Заявитель(и): Митцубиши Джидоша Когио Кабушики Кэйша (JP)
Автор(ы): Игараши Киойа (JP); Йошикава Сатоши (JP); Гото Кенджи (JP); Кавабе Такаши (JP); Уеда Кацунори (JP); Мураками Нобуаки (JP); Ода Хидейуки (JP); Андо Хиромицу (JP)
Патентообладатель(и): Митцубиши Джидоша Когио Кабушики Кэйша (JP)
Описание изобретения: Настоящее изобретение касается создания двигателя внутреннего сгорания с впрыском топлива в цилиндр, который относится к двигателям с искровым зажиганием и в котором осуществляется прямой впрыск топлива в камеру сгорания.
В системах подачи топлива для бензиновых двигателей, в которых в качестве топлива используется прежде всего бензин, в течение многих лет широко используются инжекторы (топливные форсунки), расположенные вне двигателя внутреннего сгорания. В таких бензиновых двигателях работой инжектора управляет блок управления, такой как контроллер, который производит впрыск топлива в заданном количестве в заданное время во впускной канал.
Впрыснутое таким образом во впускной канал топливо затем подается в камеру сгорания совместно с воздухом, который всасывается в такте впуска, в результате чего топливо и воздух перемешиваются и зажигаются свечой зажигания для осуществления сгорания.
С другой стороны, в дизельных двигателях, в которых в первую очередь используется дизельное топливо в качестве горючего, это топливо непосредственно впрыскивается в камеру сгорания и подвергается самовозгоранию сжатым воздухом в камере сгорания.
Для обеспечения возможности прямого впрыска топлива в камеру сгорания бензинового двигателя также уже были предложены двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр.
В таком двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр возможно в целом осуществление сгорания при чрезвычайно малой концентрации топлива (то есть при высоком отношении воздух/топливо); другими словами, возможно осуществление так называемой работы со слоистым бедным горением путем образования вихря внутри каждого цилиндра, впрыска топлива в вихрь для образования слоя воздушно-топливной смеси желательной концентрации (концентрации топлива вблизи стехиометрического отношения воздух/топливо) в позиционном совпадении со свечой зажигания, и подачи топлива в слое воздушно-топливной смеси к свече зажигания.
В таком двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр детонация может быть устранена путем впрыска топлива на ранней стадии такта впуска путем сжигания топлива в виде воздушно-топливной смеси, которая богаче, чем при слоистом бедном горении, так как воздух, всосанный в камеру сгорания, охлажден инжектируемым в цилиндр топливом. В результате возникает преимущество, связанное с тем, что степень сжатия может быть увеличена более просто.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр важна форма камеры сгорания, образованной поршнем, нижней стенкой головки цилиндра и другими элементами, чтобы использовать наилучшим образом указанное выше преимущество.
Однако это связано с возникновением проблемы, заключающейся в том, что при сложной форме камеры сгорания выходные характеристики мощности и параметры газового ресурса двигателя существенно изменяются даже при незначительных изменениях формы или обмена поршня или камеры сгорания, а также изменении положения свечи зажигания или других элементов.
В связи с изложенным, насущной необходимостью становится установление такого относительного позиционного соотношения между формой каждой камеры сгорания в двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр и частями камеры сгорания, чтобы получить оптимальную эффективность сгорания.
В выложенной заявке на патент Японии N HEI 4-228850 раскрыто устройство для предотвращения контактирования топлива, которое было впрыснуто клапаном инжекции топлива, с внутренней стенкой цилиндра. Однако такое устройство связано только с направлением впрыска топлива от клапана инжекции топлива и не позволяет решить указанную выше проблему.
Кроме того, в выложенной заявке на патент Японии N HEI 4-58030 раскрыто устройство для снижения вероятности самовозгорания, детонации или появления копоти в двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр. Однако это устройство предназначено только для обеспечения гладкой работы двигателя и также не может решить указанную выше проблему.
Наконец, в выложенной заявке на патент Японии N HEI 4-166612 раскрыто устройство для улучшения зажигания в ходе работы с низкой нагрузкой двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр. В этом устройстве не предусмотрено образование камеры сгорания и порции и не рассматриваются позиционные ограничения при установке свечи зажигания для достижения оптимальной эффективности горения.
Все описанные выше устройства предназначены для двухтактных двигателей внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр. В устройстве, которое описано, например, в выложенной заявке на патент Японии N HEI 4-228850, которое показано на фиг. 63 и 64, участок внутренней стенки 103b головки цилиндра образован на одной стороне боковой стенки 103a головки цилиндра, где предусмотрены два впускных клапана 106. Кроме того, имеется участок внутренней стенки 103c головки цилиндра, который образован на противоположной стороне боковой стенки 103a головки цилиндра, где предусмотрены два выпускных клапана 107. Эти участки внутренней стенки 103b и 103c головки цилиндра соединены друг с другом при помощи периферической стенки 108, показанной на фиг. 64, таким образом, что весь участок внутренней стенки 103c головки цилиндра на одной стороне выпускных клапанов 107 больше заходит в камеру сгорания 104, чем участок внутренней стенки 103b головки цилиндра.
Указанная периферическая стенка 108 образована двумя маскирующими стенками 108a, которые расположены в непосредственной близости к периферическим краевым участкам впускных клапанов 106 и идут в виде дуг окружности вдоль периферических краевых участков впускных клапанов 106, и двумя направляющими стенками свежего воздуха 108b, которые расположены между двумя впускными клапанами 106, 106, и двумя направляющими стенками свежего воздуха 108с, которые расположены между участками периферической стенки внутренней стенки 103a головки цилиндра, причем эти участки примыкают к периферической стенке, и их соответствующими впускными клапанами 106.
Когда впускные клапаны 106 начинают открываться, то воздух начинает протекать в камеру сгорания 104 через впускные клапаны 106. В это время окна впускных клапанов 106 перекрыты со стороны выпускных клапанов 107 из-за наличия маскирующих стенок 108a. Поэтому воздух втекает в камеру сгорания 104 через окна с противоположных сторон с маскирующих стенок 108a, опускается вдоль внутренней стенки проточки цилиндра, расположенной ниже впускных клапанов 106, а затем поднимается вдоль внутренней стенки продувной проточки цилиндра, расположенной ниже выпускных клапанов 107. В результате образования потока в виде петли эффекты продувки усиливаются. Несмотря на то, что участок выемки 116 образован в верхней стенки поршня 102, эта верхняя стенка имеет трапецеидальную форму поперечного сечения, при этом в описанном выше двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр образуется большое пространство между участком внутренней стенки 103b головки цилиндра и верхней стенкой поршня 102, что приводит к возникновению проблемы, связанной с тем, что не может быть обеспечена существенная степень сжатия в камере сгорания такой формы, в результате чего трудно создать двигатель с высокой выходной мощностью.
На фиг. 63 и 64 также показан впускной канал 112, выпускной канал 113 и инжекторы 114, 115, которые установлены соответственно во впускных каналах 112, 112.
Следует также указать, что в выложенной заявке на патент Японии N HEI 5-71350 и в выложенной заявке на патент Японии N HEI 5-240051 раскрыт двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, в котором нижняя стенка головки цилиндра имеет коническую форму, причем верхняя стенка поршня также имеет коническую форму, так что они соответствуют друг другу. В устройствах, которые раскрыты в этих публикациях, верхняя стенка поршня имеет ступенчатую полостную форму и образована из мелкой пластины и глубокой пластины, что позволяет осуществлять бедное горение при работе с низкой нагрузкой за счет использования вихрей вокруг центральной оси цилиндра.
Однако когда стенка поршня имеет ступенчатую полостную форму и образована из мелкой пластины и глубокой пластины, как это указано выше, образование потока падения предотвращено за счет указанной ступенчатой полостной формы, даже тогда, когда поток всасываемого воздуха вводится из верхней части в нижнюю часть камеры сгорания, чтобы образовать продольный вихрь (поток падения) в камере сгорания. Поэтому трудно поддерживать поток падения до последней стадии такта сжатия путем образования мощного потока падения. Аналогично, невозможно осуществлять слоистое горение при помощи слоистого потока падения, образованного потоком падения богатой топливной смеси, эквивалентной стехиометрической топливной смеси, образованной в окрестности свечи зажигания, и другого потока падения сверхбедной топливной смеси, образованной в удаленном от свечи зажигания месте. Это приводит к возникновению проблемы, связанной с тем, что трудно достичь улучшения газового ресурса за счет сверхбедного горения.
Более того, использование устройств, раскрытых в этих публикациях, сопровождается другими проблемами. При использовании четырех клапанов с целью достижения высокой выходной мощности при высокой нагрузке, что требуется при разгоне или в аналогичных случаях, накладываются ограничения на приводной клапанный механизм, например, если клапаны установлены вдоль конической нижней стенки головки цилиндра. Если клапаны установлены под прямыми углами к конической нижней стенке головки цилиндра, то элементы клапанов выступают внутрь камеры сгорания; для устранения такого выступания необходимо образовывать выемки в нижней стенке головки цилиндра. В любом случае, при этом трудно достичь высокой степени сжатия.
Настоящее изобретение позволяет разрешить указанные выше проблемы. Задачей настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, в котором форма каждой из камер сгорания и относительные позиционные связи между частями камеры сгорания установлены таким образом, чтобы достичь оптимальной эффективности горения и, в результате, достичь улучшения как газового ресурса, так и выходной мощности.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, в котором предусмотрена камера сгорания, верхняя часть и основание которой ограничены нижней стенкой головки цилиндра и верхней стенкой поршня, введенного соответствующим образом в цилиндр, причем впускной клапан установлен на одной стороне нижней стенки указанной головки цилиндра указанной камеры сгорания, а выпускной клапан установлен на противоположной стороне нижней стенки указанной головки цилиндра указанной камеры сгорания, при этом впускной канал с нижнего его конца сообщается с указанной камерой сгорания через указанный впускной клапан, так что при этом образуется продольный вихрь всосанного воздуха внутри камеры сгорания, причем выпускной канал с нижнего его конца сообщается с указанной камерой сгорания через указанный выпускной клапан, так что при этом из указанной камеры сгорания выпускается отработанный газ, и клапан впрыска топлива предназначен для прямого впрыска топлива в указанную камеру сгорания, отличающийся тем, что указанная нижняя стенка указанной головки цилиндра, которая образует верхнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши, которая образована являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой, образованной на указанной стороне, а также являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой, образованной на указанной противоположной стороне, причем свеча зажигания находится в окрестности верхнего участка указанной, имеющей форму двускатной крыши, верхней стенки указанной камеры сгорания, при этом указанная верхняя стенка указанного поршня, которая образует нижнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши, которая содержит являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку, а также являющуюся стороной выпускного клапана наклонную верхнюю стенку, которые выполнены соответствующими являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенке и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенке, причем являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка, которая представляет собой верхнюю стенку указанного поршня, имеет полостной участок. В результате такого построения удается создать двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, имеющий высокую степень сжатия и, следовательно, значительно лучшую выходную мощность. Другими словами, так как отношение объема полостного участка поршня к полному объему камеры сгорания может быть установлено значительным, то степень сжатия может быть установлена высокой, при этом двигатель может быть сконструирован как двигатель с высокой выходной мощностью.
В описанном выше двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр указанный клапан впрыска топлива может быть устроен таким образом, что, когда указанный поршень находится вблизи от верхней мертвой точки, впрыснутое топливо может быть направлено внутрь полостного участка. При такой конструкции может быть обеспечен высокий уровень концентрации топлива в полостном участке во время зажигания.
Кроме того, выступ, разделяющий друг от друга являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку, а также являющуюся стороной выпускного клапана наклонную верхнюю стенку, образован на указанной верхней стенке указанного поршня. Альтернативно, указанный полостной участок может быть образован идущим от указанной являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки до указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки, с другой стороны от указанного выступа. При такой конструкции камера сгорания имеет такую форму, которая соответствует являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенке, а также являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенке соответственно на стороне впускного клапана и на стороне выпускного клапана. В этом случае роли камеры сгорания могут быть присвоены раздельно стороне впускного клапана и стороне выпускного клапана. В соответствии с альтернативой установка соотношения объема полостного участка камеры сгорания к полному объему камеры сгорания на оптимальном уровне облегчается, при этом могут быть достигнуты как высокий газовый ресурс, так и высокая выходная мощность.
Преимущественно указанный полостной участок может быть образован таким образом, что форма его поперечного сечения вдоль направления потока всосанного (поданного) воздуха, введенного в указанную камеру сгорания, может быть образована дугой окружности. При такой конструкции создаются благоприятные условия для образования вихря, в частности, потока падения за счет потока всосанного воздуха в камере сгорания, что облегчает слоистое горение. Кроме того, указанный полостной участок имеет сферическую поверхность. При такой конструкции площадь поверхности полостного участка может быть минимизирована относительно объема полостного участка. Далее это создает преимущество, связанное с тем, что потеря тепла может быть уменьшена, а эффективность сгорания может быть улучшена. Образование полостного участка сферической формы дополнительно облегчает образование вихря, в частности, потока падения за счет потока всосанного воздуха в камере сгорания, в результате чего облегчается осуществление слоистого горения.
Можно также сконструировать двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр таким образом, что указанный поршень имеет плоский планарный участок, который образован на указанной верхней стенке казанного поршня по меньшей мере на внешнем периферическом участке со стороны указанного впускного клапана, а указанный полостной участок содержит участок входа потока, который слегка спускается от указанного планарного участка, так что поток всосанного воздуха, который был введен в указанную камеру сгорания, втекает в указанный полостной участок, а также поднятый участок, который гладко поднимается для направления потока всосанного воздуха, который втекал в указанный полостной участок, от внутренней части указанного полостного участка в направлении к окрестности указанной свечи зажигания, и соединительный участок, гладко соединенный с указанным участком входа потока и указанным поднятым участком, который имеет главным образом планарную поверхность. При такой конструкции двигателя также возможно надежно сформировать поток падения в камере сгорания.
Кроме того, указанный полостной участок может быть образован являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой верхней стенки указанного поршня, двумя сферическими поверхностями, центры которых смещены один относительно другого, и соединительной поверхностью, гладко соединяющей указанные две сферические поверхности. При такой конструкции двигателя площадь поверхности полостного участка может быть относительно малой при образовании полостного участка значительного объема, за счет чего газовый ресурс может быть улучшен без существенного снижения характеристик выходной мощности.
Дополнительно в такой конструкции указанные центры указанных двух сферических поверхностей могут быть установлены в таких положениях, что в виде сверху на указанный поршень указанные центры могут быть смещены относительно плоскости, которая проходит под прямым углом к направлению поршневого пальца через ось указанного поршня, в направлении удаления от указанной плоскости на одинаковое расстояние. В такой конструкции двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр поршень может иметь симметричную форму в виде сбоку. В результате может быть устранено неравномерное сгорания в камере сгорание, а состояние горения топлива может быть стабилизировано.
Полостной участок может быть образован как часть воображаемой (мнимой) сферической поверхности, центр которой располагается в точке над указанным поршнем на стороне указанного впускного клапана, так что указанный выступ указанного поршня и нижняя оконечность указанной являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки указанного поршня наклонены внутрь указанной воображаемой сферической поверхности. В результате свеча зажигания легко может быть установлена в полостном участке и может быть облегчено образование потока падения.
При такой конструкции также имеется возможность построения двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр таким образом, что, когда указанный поршень располагается вблизи от верхней мертвой точки, то как форсунка впрыска указанного клапана инжекции топлива, так и клапанный элемент указанного впускного клапана расположены внутри указанной воображаемой сферической поверхности. Кроме того, в такой конструкции в том случае, когда указанный поршень располагается вблизи от верхней мертвой точки, электрод заземления указанной свечи зажигания может находиться внутри указанной полости. При использовании описанной выше конструкции в полостном участке может быть образована богатая воздушно-топливная смесь, в результате чего становится возможным увеличение эффективности сгорания.
Кроме того, указанная свеча может быть устроена таким образом, что когда указанный поршень располагается в указанной верхней мертвой точке, указанный электрод заземления указанной свечи зажигания располагается вблизи от внутренней поверхности указанного полостного участка. В такой конструкции имеется возможность достичь как улучшения газового ресурса, так и улучшения выходной мощности, при хорошем балансе между ними.
Двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр может быть также сконструирован таким образом, что указанная свеча зажигания может быть установлена по его центральной оси, с наклоном относительно центральной оси цилиндра на заданный угол в сторону указанного выпускного клапана. При этом может быть осуществлено такое расположение, в котором электрод свечи зажигания надежно установлен внутри полостного участка, в результате чего устраняются помехи между поршнем и свечой зажигания.
Преимущественно, конструкция двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр может быть такой, что когда указанный поршень располагается в указанной верхней мертвой точке, зазор между указанным выпускным клапаном и указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой указанного поршня во взаимно самых узких участках между ними установлен в диапазоне от 5 до 8 мм. В результате появляется возможность сохранения топлива, которое было впрыснуто в направлении полостного участка, в этом полостном участке во время зажигания, что благоприятствует образованию слоистости введенного воздуха и топлива. Это дает возможность создать состояние горения с высокой тепловой эффективностью, а также повысить максимальную выходную мощность.
Преимущественно, конструкция двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр также может быть такой, что когда указанный поршень располагается в указанной верхней мертвой точке, зазор между указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой и указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой указанного поршня в окрестности указанного выпускного клапана установлен меньше, чем зазор между указанной являющейся стенкой впускного клапана наклонной нижней стенкой и указанной являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой указанного поршня в окрестности указанного впускного клапана. В соответствии с такой конструкцией поверхность в камере сгорания может быть уменьшена без существенного изменения объемного соотношения для всей камеры сгорания, так что потери тепла уменьшены. В результате эффективность сгорания может быть улучшена, причем могут быть достигнуты более высокие уровни как выходной мощности, так и газовой эффективности.
Преимущественно, конструкция двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр может быть такой, что в том случае, когда расстояние между указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой указанной головки цилиндра и указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой указанного поршня расширяется (увеличивается) в направлении центра указанной камеры сгорания, то тогда у указанной верхней мертвой точки указанного поршня образуется пространство распространения пламени, которое имеет поперечное сечение главным образом в виде клина. Указанная являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка и указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка указанного поршня могут быть образованы при одинаковых наклонах, а указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка указанной головки цилиндра может иметь наклон, превышающий наклон указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки указанного поршня. Кроме того, указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка и указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка головки цилиндра также могут иметь одинаковый наклон, а указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка указанного поршня может иметь меньший наклон, чем указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка головки цилиндра. В соответствии с такой конструкцией пламя всегда распространяется равномерно в камере сгорания, что позволяет обеспечить однородное сгорание без неравномерности. Преимуществом такого решения является также и то, что объем пространства со стороны выпускного клапана в камере сгорания не изменяется, причем объемное соотношение полостного участка совершенно не затрагивается.
В том случае, когда поршень расположен в указанной верхней мертвой точке, отношение объема камеры сгорания между внутренней стенкой указанного полостного участка и указанной нижней стенкой указанной головки цилиндра над указанным полостным участком к полному объему указанной камеры сгорания, в том случае, когда поршень расположен в указанной верхней мертвой точке, преимущественно может быть установлено в диапазоне от 0,4 до 0,6. В результате отношение соответствующих объемов в камере сгорания может быть установлено оптимальным, что дает возможность достижения как высокого газового ресурса, так и высокой выходной мощности.
Кроме того, впускной канал может быть сконструирован таким образом, что поток подаваемого воздуха, который был введен в указанную камеру сгорания через указанный впускной клапан, образует продольный вихрь, направленный к указанной верхней стенке указанного поршня. Впускной канал может быть сконструирован таким образом, что он расположен с одной стороны мнимой плоскости, в которой располагаются центральная ось цилиндра и ось коленвала, и идет вертикально вдоль стороны этой мнимой плоскости в указанной головке цилиндра. При применении описанной выше конструкции может быть облегчено образование продольного вихря в камере сгорания, при этом продольный вихрь также может быть усилен. В результате может быть осуществлено более стабильное слоистое сгорание.
Кроме того, конструкция двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр может быть также и такой, что в указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенке, являющейся частью верхней стенки указанного образованы канавки вблизи от указанного полостного участка, которые образуют пространство между указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой и указанным выпускным клапаном. Это позволяет иметь достаточный зазор между поршнем и выпускным клапаном.
На фиг. 1 приведено схематичное поперечное сечение, которое показывает конструкцию камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2a - 2c схематично показаны различные формы поршня, который является основным элементом двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 схематично показано относительное позиционное соотношение между верхней стенкой поршня и нижней стенкой головки цилиндра для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 схематично объяснено отношение объема полостного участка поршня к полному объему камеры сгорания для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5a и 5b приведены графики для объяснения изменений характеристик двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения в функции изменений объемного отношения полостного участка поршня.
На фиг. 6a - 6c схематично показан другой пример формы полостного участка в поршне двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7a - 7c схематично показан еще один пример формы полостного участка в поршне двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 8 приведен график для объяснения работы двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 9 приведен график для объяснения работы двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 10 приведен график, на котором показано изменение характеристик газового ресурса и излучения HC (углеводородов) в функции различий в форме камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 11a - 11c схематично показаны различные формы поршня, который является основным элементом двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 12 приведено схематичное поперечное сечение, которое показывает конструкцию камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 13 приведено схематичное поперечное сечение, которое показывает конструкцию камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с впрыскорм в цилиндр в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 14 приведен схематичный вид в плане, который показывает форму поршня для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 15 - 22 показаны детали поршня для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем на фиг. 21 показано поперечное сечение A-A фиг. 19, а на фиг. 22 показано поперечное сечение B-B фиг. 16.
На фиг. 23 - 30 показаны детали поршня первой измененной формы для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем на фиг. 29 показано поперечное сечение A-A фиг. 27, а на фиг. 30 показано поперечное сечение B-B фиг. 24.
На фиг. 31 - 38 показаны детали поршня второй измененной формы для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем на фиг. 37 показано поперечное сечение A-A фиг. 35, а на фиг. 38 показано поперечное сечение B-B фиг. 32.
На фиг. 39 - 46 показаны детали поршня третьей измененной формы для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем на фиг. 45 показано поперечное сечение A-A фиг. 43, а на фиг. 46 показано поперечное сечение B-B фиг. 40.
На фиг. 47 - 54 показаны детали поршня для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем на фиг. 52 показано поперечное сечение A-A фиг. 48, а на фиг. 53 показано поперечное сечение B-B фиг. 51.
На фиг. 55 приведено вертикальное поперечное сечение, которое схематично показывает внутреннюю часть двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 56 показан схематично вид в перспективе, на котором показана полная конструкция внутренней части двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 57 приведено поперечное сечение двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения по линии III-III фиг. 56.
На фиг. 58 показан вид по стрелке A фиг. 56 двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 59 показано введение (впуск) в соответствии с фиг. 55 для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 60 приведен ездовой цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 61 приведен ездовой цикл в том случае, когда двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения применен для двухтактного двигателя.
На фиг. 62a приведено поперечное сечение с увеличением по линии VIII-VIII фиг. 57 для случая, когда сторона впуска полостного участка представляет собой закругленный участок M1.
На фиг. 62b приведено поперечное сечение с увеличением по линии VIII-VIII фиг. 57 для случая, когда сторона впуска полостного участка представляет собой скошенный участок M1.
На фиг. 63 и 64 отображено известное состояние техники.
Последующее описание вариантов осуществления настоящего изобретения приведено со ссылками на чертежи.
(а) Описание первого варианта.
Прежде всего будет проведено описание двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1 камера сгорания 3 этого двигателя образована нижней стенкой головки цилиндра 8 и верхней стенкой поршня 2, причем впускной клапан 4 установлен в верхней стенке камеры сгорания 3 на одной ее стороне, в то время как выпускной клапан 5 расположен на противоположной стороне.
По нижней стенке головки цилиндра 8, которая является верхней стенкой камеры сгорания 3, идет являющаяся стороной впускного клапана наклонная нижняя стенка 8a, а именно идет наклонно от верхнего участка камеры сгорания 3 в направлении к ее участку, который образован на стороне блока впускного клапана 4. На стороне блока выпускного клапана образована являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка 8b.
При помощи этих наклонных нижних стенок 8a, 8b образована со стороны ее верхней стенки камера сгорания 3 в виде двухскатной крыши, как это показано на фиг. 1.
Кроме того, головка цилиндра 8 снабжена клапаном инжекции (впрыска) топлива (который далее именуется просто "инжектором") 1. Этот инжектор 1 стоит напротив камеры сгорания 3 со стороны ее свободного конца, так что инжектором 1 осуществляется прямой впрыск топлива в камеру сгорания 3.
Далее описана форма поршня 2. Как показано на фиг. 1, 2a - 2c и фиг. 15 - 22 на верхней стенке поршня 2, которая образует нижнюю стенку камеры сгорания 3, являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a и являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка 2b , которые идут наклонно к центру поршня 2, сформированы соответствующими являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенке 8a и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенке 8b. При помощи этих наклонных верхних стенок 2a, 2b верхняя стенка поршня 2 приобретает форму горы, так что верхняя стенка поршня идет в виде двускатной крыши. Эти наклонные верхние стенки 2a, 2b отделены друг от друга выступом, который образован на верхней стенке поршня.
В являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенке 2a поршня 2 образован полостной участок (который далее именуется просто "полостью") 25, как это показано на фиг. 1 и фиг. 2a - 2c. Эта полость 25 образована таким образом, что она идет до являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки 2b, так что выступ срезан этой полостью, и имеет сферическую форму, которая изогнута выемкой вниз, и образована как часть мнимой сферической поверхности 25a, центр которой лежит в точке над поршнем 2 со стороны впускного клапана 4.
Впускной канал 9, который является частью впускного прохода и открыт в камеру сгорания 3 (см. фиг. 12), устроен так, что он идет главным образом вертикально над впускным клапаном 4. Когда поток подаваемого воздуха вводится в камеру сгорания 3 через впускной канал 9, то он течет вниз в направлении поршня 2, а затем вверх вдоль стенки полости 25 поршня 2, в результате чего образуется поток падения (продольный вихрь).
Поток падения может быть сделан более гладким и даже усиленным за счет главным образом планарной формы наклонных нижних стенок 8a, 8b камеры сгорания 3, в частности за счет того, что нижние стенки 8a, 8b головки цилиндра 8 и нижние поверхности впускного клапана 4 и выпускного клапана 5 идут главным образом сопланарно.
Конкретно, являющаяся стороной впускного клапана наклонная нижняя стенка 8a и являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка 8b головки цилиндра 8 имеет форму двускатной крыши. За счет этого одна часть потока падения, которая протекает от поршня 2 к являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенке 8b, и другая часть потока падения, которая протекает от являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенки 8a к поршню 2, становятся более гладкими, так что поток падения сохраняется до последней половины такта сжатия.
Кроме того, впускной канал 9 выполнен главным образом прямым (вертикальным), так что сопротивление при впуске воздуха снижено, поэтому в камеру сгорания 3 может быть введен мощный поток поданного воздуха. При этом в камере сгорания образуется мощный продольный вихрь (поток падения). Дополнительно, являющаяся стороной впускного клапана наклонная нижняя стенка 8a головки цилиндра 8 имеет форму двускатной крыши, что делает возможным выполнение впускного клапана 4 наклонным. При этом обеспечивается увеличенная свобода расположения впускного канала 9.
Далее указаны основные причины, по которым нижняя стенка камеры сгорания 8 имеет описанную выше форму.
В двигателе, таком как двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, как высокая выходная мощность, так и высокий газовый ресурс могут быть достигнуты изменением момента времени впрыска в зависимости от скорости двигателя и/или нагрузки двигателя.
В ходе вращения на низкой скорости или при работе двигателя с малой нагрузкой должна быть осуществлена, в частности, операция бедного горения, при этом высокий газовый ресурс может быть обеспечен впрыском топлива в такте сжатия. В частности, впрыск топлива в такте сжатия делает возможным образование слоя с высокой концентрацией топлива вокруг свечи зажигания 6 внутри полости 25. Кроме того, сферическая форма полости 25 дает возможность образования потока падения всосанного воздуха вокруг указанного выше слоя. В результате удается обеспечить зажигание и получить состояние стабильного горения даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедна, если ее рассматривать по отношению ко всей камере сгорания.
Однако для действительного достижения операции бедного горения при состоянии стабильного сгорания путем впрыска топлива в такте сжатия, как это указано выше, необходимо детально выбрать форму камеры сгорания 3, положения и размеры блока инжектора 1, расположение свечи зажигания 6 и т.п.
Само собой разумеется, выбор объема полости 25 существенно влияет на параметры двигателя. Например, чрезмерно большой объем полости 25 по отношению к полному объему камеры сгорания 3 будет приводит к созданию камеры сгорания 3 с чрезмерно большой площадью поверхности и, в результате, к большой потере тепла, как это показано на графике фиг. 5a, хотя такой чрезмерно большой объем полости 25 предпочтителен для осуществления слоистого сгорания. Это также приводит к снижению максимальной выходной мощности и максимального момента вращения, что видно на графиках фиг. 5b, хотя газовый ресурс при этом улучшается.
С другой стороны, чрезмерно малый объем полости 25 по отношению к полному объему камеры сгорания 3 будет приводить к невозможности поддержания достаточного потока падения в полости 25 до последней стадии такта сжатия, хотя при этом достигается увеличение максимальной выходной мощности и максимального момента вращения, что видно на графиках фиг. 5b. Это также приводит к снижению газового ресурса, как это видно на графиках фиг. 5a.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением объем полости 25 устанавливают поэтому таким образом, чтобы получить заданное отношение к полному объему камеры сгорания, так чтобы были обеспечены параметры двигателя совместно как по выходной мощности, так и по газовому ресурсу.
Далее со ссылкой на фиг. 4 будет описана установка этого объемного отношения. Объемное отношение устанавливают таким образом, чтобы значение (Va + Vb/(Va + Vb + Vc) лежало в диапазоне от 0,4 до 0,6; здесь Va отображает объем полости 25, а Vb представляет собой объем между являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой 8a и являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой 2a и между являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой 8b и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 2b, расположенной над полостью 25, когда поршень 2 расположен в верхней мертвой точке; Vc представляет собой объем между являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой 8a и являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой 2а и между являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой 8b и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 2b, в диапазоне, отличающемся от зоны над полостью 25, когда поршень 2 расположен в верхней мертвой точке.
В соответствии с этим вариантом для образования камеры сгорания 3 описанной выше конструкции верхняя стенка поршня 2 имеет форму горы и идет главным образом вдоль головки цилиндра в виде двускатной крыши. В частности, придание верхней стенке поршня 2 такой формы двускатной крыши делает меньше пространство, ограниченное поршнем 2 и головкой цилиндра 8, когда поршень 2 находится в его поднятом положении. Поэтому возможно увеличение объемного отношения полости 25 к полному объему камеры сгорания 3.
В результате степень сжатия двигателя может быть увеличена, в результате чего его выходная мощность также может быть существенно увеличена.
Путем установки заданного значения объемного отношения полости 25 к полному объему камеры сгорания 3, как это описано выше, может быть одновременно получено хорошо сбалансированное улучшение как выходной мощности, так и газового ресурса.
Кроме того, придание полости 25 сферической формы, как это показано на фиг. 2a - 2c, обеспечивает такое преимущество, что площадь поверхности полости может быть минимизирована относительно объема полости Va поршня 2. Минимизация площади поверхности полости указанным выше образом создает возможность снижения потерь тепла и, следовательно, повышения эффективности горения.
Кроме того, придание полости 25 сферической формы обеспечивает другое преимущество, связанное с тем, что может быть облегчено образование вихревого потока или, другими словами, потока падения за счет потока поданного в камеру сгорания 3 воздуха.
Дополнительно следует указать, что описанная выше мнимая сферическая поверхность 25a расположена показанным на фиг. 1 образом, так что верхний участок поршня 2 и нижний край являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки 2a поршня 2 оба находятся внутри полости 25, что можно видеть на поперечном сечении по центральной оси поршня 2.
Позиционные соотношения между инжектором 1, впускным клапаном 4 и мнимой сферической поверхностью 25a установлены таким образом, что когда поршень 2 достигает верхней мертвой точки, то форсунка впрыска инжектора 1 и клапанный элемент впускного клапана 4 оба располагаются внутри мнимой сферической поверхности 25a.
Устройство инжектора 1 и впускного клапана 4 описанным выше образом делает возможным обеспечение состояния высокой концентрации топлива в полости 25 во время зажигания.
В таком двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр момент времени впрыска топлива инжектором 1 и количество впрыснутого топлива регулируются в соответствии с операционным состоянием двигателя при помощи не показанного на чертежах контроллера. В зависимости от операционного состояния двигателя инжекция топлива может быть осуществлена в такте сжатия.
В таком случае газотопливная смесь образуется в виде слоев воздуха и топлива в камере сгорания, причем в полости 25 имеется достаточно богатое содержание топлива (показанное на фиг. 1 заштрихованной областью). Это создает отличие от обычного двигателя внутреннего сгорания, в котором в камере сгорания присутствует главным образом однородная воздушно-топливная смесь, поэтому электроды свечи зажигания не достигают положения, где существует достаточная концентрация горючей воздушно-топливной смеси, что предположительно ведет к снижению эффективности сгорания, в том случае, если для двигателя внутреннего сгорания используется обычная свеча зажигания.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением положение блока свечи зажигания 6 и длина электрода 6a выбраны таким образом, чтобы наилучшим образом обеспечить сгорание топлива в камере сгорания.
Конкретно, центральная ось свечи зажигания 6 наклонена в сторону выпускного клапана 5 на заданный угол Θ относительно центральной оси CL цилиндра, так что при подъеме поршня 2 к верхней мертвой точке электрода 6a свечи зажигания 6 надежно занимает положение на одной стороне полости 25, в результате чего устраняются помехи между поршнем 2 и свечой зажигания 6.
В головке цилиндра 8 образован установочный участок 28 для монтажа свечи зажигания 6. Установочный участок 28 содержит установочную поверхность 27, ограничивающую место установки свечи зажигания 6. Эта установочная поверхность 27 также располагается ближе на заданное расстояние D1 ( например, D1 = 2 мм) к камере сгорания 3, чем в обычном двигателе внутреннего сгорания.
В результате свеча зажигания 6 установлена на головке цилиндра 8 описанным выше образом, так что она расположена ближе к полости 25.
Однако в таком случае нижний резьбовой участок свечи зажигания 6 открыт на заданную длину D1 внутрь камеры сгорания 3. При работе двигателя углерод и другие вещества будут осаждаться на нижнем участке свечи зажигания 6.
Отложение углерода и других веществ на нижнем резьбовом участке свечи зажигания 6 делает затруднительным отвинчивание свечи зажигания 6 с головки цилиндра 8, так что можно считать, что эффективность работы (при замере свечи зажигания) ухудшается.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр поэтому предусмотрен выступающий участок 29 вокруг зоны ниже установочного участка 28 свечи зажигания, как это показано на фиг. 1, так что нижний участок свечи зажигания 6 может быть защищен.
Это позволяет устранить отложение углерода и других веществ на нижнем участке свечи зажигания 6, в результате чего повышается эффективность работы при замене свечи зажигания, а также увеличивается срок службы свечи зажигания 6. Кроме того, введение описанного выше выступающего участка 29 также позволяет осуществлять через выступающий участок 29 рассеивание тепла, приложенного к свече зажигания 6, так что долговечность свечи зажигания 6 при воздействии теплоты также может быть увеличена.
Электрод 6a свечи зажигания 6 выполнен длиннее на заданную величину в сравнении с обычной свечой зажигания. В результате электрод 6a может занимать положение в богатой топливом зоне при зажигании топлива.
В случае необходимости может быть также рассмотрена конструкция двигателя, в котором установочная поверхность 27 свечи зажигания 6 имеет положение, аналогичное положению в обычном двигателе внутреннего сгорания, однако электрод 6а свечи зажигания 6 длиннее на заданную величину D1, что позволяет ему занимать такое положение в полости 25, в котором концентрация топлива высокая. При этом обеспечивается бесперебойное надежное зажигание топлива только за счет того, что электрод 6a сделан очень длинным. В таком случае нет необходимости в наличии упомянутого выше выступающего участка 29, если электрод 6a сделан очень длинным, однако срок службы такого электрода 6a падает.
В отличие от этого точка зажигания в соответствии с настоящим изобретением установлена ближе к внутренней части полости 25 в результате соблюдения двух условий: прежде всего установочная поверхность 27 свечи зажигания 6 расположена ближе к камере сгорания 3, и кроме того, электрод 6a сделан длиннее. Это приводит к тому, что срок службы свечи зажигания 6 не падает, несмотря на то, что электрод 6a занимает положение в полости 25, в котором концентрация топлива высокая. В результате осуществляется надежное зажигание топлива, так что эффективность горения может быть улучшена.
Что касается величины зазора (который обозначен D2 на фиг. 1) между электродом заземления 6a свечи зажигания 6 и поверхностью полости 25, то также необходимо выбрать его оптимальное значение, так как он влияет на выходную мощность и газовый ресурс двигателя. Конкретно, если этот зазор D2 слишком велик, то электрод 6a не доходит до того места, где топливо переносится потоком падения поданного воздуха, образованным в камере сгорания 3, в результате чего эффективность сгорания ухудшается. С другой стороны, если зазор между электродом заземления 6a и поверхностью полости 25 слишком мал, то возникают помехи между электродом 6a и поршнем 2.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением предлагается устанавливать оптимальное расстояние D2 между электродом заземления 6a и поверхностью полости 25 в верхней мертвой точке поршня 2 (например, D2 = ориентировочно от 1 до 2 мм), так что может быть достигнута высокая эффективность сгорания при полном устранении помех для поршня 2.
Далее в таком двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр зазор между ближе всего расположенными частями поршня 2 и выпускного клапана 4 (который именуется "зазором с выпускной стороны"), который обозначен D3 на фиг. 1, также влияет на параметры двигателя. Если, например, зазор с выпускной стороны D3 слишком велик, как это показано точками C и D на графике фиг. 8, то топливо, распыленное инжектором в такте сжигания, распространяется по плоскости 25, что приводит к ухудшению газового ресурса.
С другой стороны, если зазор с выпускной стороны D3 слишком мал, как это показано точками A и B на графике фиг. 8, то нет возможности для распространения пламени в пространстве со стороны выпускного клапана 5 при работе на полной мощности (а именно, при впрыске топлива в такте впуска), что приводит к снижению выходной мощности.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением предлагается устанавливать оптимальную величину зазора D3, при которой достигается хороший баланс между газовым ресурсом и выходной мощностью, а в результате обеспечивается эффективное горение (в окрестности звездочки на фиг. 8, т.е. D3 = от 5 до 8 мм).
При образовании полости 25 сферической формы и обеспечении оптимального позиционного соотношения полости 25 и свечи зажигания 6, в соответствии с описанным выше, также имеется возможность благоприятно воздействовать на слоистость поданного воздуха и топлива, во время вращения на низкой скорости или при работе с малой нагрузкой двигателя, даже в том случае, если воздушно-топливная смесь является чрезвычайно бедной по отношению к полному объему камеры сгорания 3. Поэтому могут быть надежно осуществлены зажигание и сгорание.
В результате может быть достигнуто состояние надежного сгорания, а работа с бедным горением может быть осуществлена лаже при чрезмерно бедной воздушно-топливной смеси по отношению к полному объему камеры сгорания 3.
Далее, как это показано на фиг. 1 и 2, пространство распространения пламени 26 образовано между являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 2b поршня 2 и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой 8b головки цилиндра 8, так что пламя может равномерно распространяться по всему объему камеры сгорания 3.
В данном случае являющаяся стороной впускного клапана наклонная нижняя стенка 8a и являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка 8b головки цилиндра 8 имеют главным образом одинаковый наклон, а являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка 2b поршня 2 имеет наклон меньший, чем являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка 8b головки цилиндра 8. В результате указанное выше пространство распространения пламени 26 имеет такую форму, как показанная на фиг. 3, при этом расстояние между противоположными стенками 2b и 8b увеличивается в направлении к центру камеры сгорания, то есть образуется пространство, которое имеет поперечное сечение главным образом в виде клина.
Далее приведены причины образования пространства распространения пламени 26 в виде клина со стороны выпускного клапана 4 в камере сгорания 3, упомянутого выше. В камере сгорания 3 двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр образована описанная выше полость 25, причем являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка 2b и являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка 8b обычно идут главным образом параллельно друг другу, при этом пространство, ограниченное этими стенками 2b и 8b, узкое. Распространение пламени в этом пространстве вслед за зажиганием топлива имеет тенденцию к задержке. Для того, чтобы сделать распространение пламени в камере сгорания 3 равномерным, можно попытаться просто расширить пространство между являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 2b и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой 8b. Однако, как это было описано выше, существует оптимальное объемное отношение между полым объемом (то есть между пространственными участками Va + Vb + Vc фиг. 4) камеры сгорания 3 и объемом верхнего пространства (Va + Vb).
Если попытаться просто расширить пространство в камере сгорания 3 со стороны выпускного клапана 5, то затруднительно установить оптимальное значение объемного отношения в полости 25. Можно предположить, что в таком случае параметры двигателя будут ухудшены.
Поэтому в пространстве со стороны выпускного клапана 5 в камере сгорания 3 образовано пространство распространения пламени 26 в виде клина, за счет увеличения зазора со стороны центра и уменьшения зазора на концевом участке со стороны выпускного клапана 5, как это описано выше.
В результате наличия пространства распространения пламени 26, пламя, которое сначала инициировало сгорание по центру вокруг электрода 6a свечи зажигания 6, распространяется относительное широко по центру камеры сгорания 3, а также в направлении относительно узкого концевого участка камеры сгорания 3, без задержки по отношению к распространению пламени в других участках камеры сгорания 3. Поэтому появляется возможность осуществления однородного сгорания без неравномерности.
Образование пространства распространения пламени в камере сгорания 3, которое имеет поперечное сечение главным образом в виде клина со стороны выпускного клапана 5, как это описано выше, не изменяет объем пространства камеры сгорания 3 со стороны выпускного клапана 5, в результате чего возникает преимущество, связанное с тем, что установка объемного отношения при этом совершенно не затрагивается.
При использовании описанной выше конструкции двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр и поршня для двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения достигаются следующие преимущества.
В частности, при образовании полости 25 сферической формы и при установке оптимального относительного позиционного соотношения полости 25 и свечи зажигания 6, возникает возможность улучшения слоистости введенного воздуха и топлива во время вращения на малой скорости или при работе двигателя при низкой нагрузке, даже если результирующая воздушно-топливная смесь является чрезвычайно бедной, если ее рассматривать по отношению ко всему объему камеры сгорания 3, в результате чего обеспечивается надежное зажигание и горение.
Конкретно, во время вращения на малой скорости или при работе двигателя при низкой нагрузке, впрыска топлива производят в такте сжатия. В таком случае поток падения поддерживается до последнего этапа такта сжатия в полости 25. Поэтому можно осуществить концентрацию топлива в близи свечи зажигания 6, при этом топливо, впрыснутое в полость 25, остается в локальной области и не распространяется по всему объему полости 25. Кроме того, могут быть также образованы слои поданного воздуха (воздушные слои) вокруг слоя топлива, образующего поток падения, в результате чего можно способствовать слоистости поданного воздуха и топлива.
В результате может быть достигнуто состояние надежного сгорания, а работа бедным горением может быть осуществлена даже при чрезвычайно бедной воздушно-топливной смеси по отношению к полному объему камеры сгорания 3.
Кроме того, образование вогнутой вниз сферической полости 25 не являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенке 2b поршня 2, как это показано на фиг. 2a - 2c, обеспечивает то преимущество, что выходная мощность и газовый ресурс могут быть увеличены.
Конкретно, образование полости 25 сферической формы позволяет минимизировать площадь поверхности полости по отношению к объему полости Va поршня 2. Это приводит к снижению потерь тепла и, следовательно, к повышению эффективности сгорания.
Кроме того, образование полости 25 сферической формы способствует формированию вихря или, другими словами, потока падения поданного воздуха в камере сгорания 3, при этом обеспечивается то преимущество, что легче может быть осуществлено слоистое сгорание. Далее образование потока падения может быть усилено за счет выбора главным образом плоской формы наклонных нижних стенок 8a, 8b камеры сгорания 3.
На фиг. 9 в виде диаграммы произведено сравнение поршня 2, который содержит сферическую полость 25 с поршнем 2, который имеет полости 25A, 25B другой формы. Газовый ресурс и максимальный момент вращения, которые соответствуют полостям 25A, 25B различной формы поперечного сечения, показаны на чертеже соответственно точками A и B; поршень 2, который содержит сферическую полость 25, позволяет улучшить как газовый ресурс, так и максимальный момент вращения, что показано на чертеже точкой C.
Дополнительно, наличие пространства распространения пламени 26 главным образом в виде клина в поперечном сечении со стороны выпускного клапана 5 камеры сгорания 3 обеспечивает то преимущество, что максимальный момент вращения может быть дополнительно увеличен, что показано точкой D.
Кроме того, как это показано на фиг. 10, наличие пространства распространения пламени 26 главным образом в виде клина, как это описано выше, обеспечивает то преимущество, что потребление топлива может быть уменьшено главным образом во всем диапазоне работы, а излучение THC (всех углеводородов) может быть уменьшено.
В двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением точка зажигания электрода 6a занимает положение на участке полости 25, в котором концентрация топлива высокая, за счет использования такой конструкции, в которой установочная поверхность 27 располагается ближе на заданное расстояние D1 (например, D1 = 2 мм) к камере сгорания 3, а электрод заземления 6a свечи зажигания 6 выполнен длиннее на заданную величину в сравнении с обычной свечой зажигания. При этом обеспечивается то преимущество, что долговечность электрода заземления 6a свечи зажигания 6 не ухудшается, хотя надежность зажигания топлива обеспечивается.
Более того, описанная выше свеча зажигания 6 также обеспечивает то преимущество, что надежное зажигание топлива может быть достигнуто при малой стоимости, так как необходимо только чтобы электрод заземления 6a свечи зажигания 6 был выполнен длиннее на заданную величину в сравнении с обычной свечой зажигания.
Далее на стенке головки цилиндра 8 образован выступающий участок 29 вокруг установочного участка 28 свеча зажигания 6. В результате свеча зажигания 6 не открыта непосредственно на нижнем участке в камеру сгорания 3, несмотря на удлинение нижнего конца свечи зажигания 6 на заданную длину D1 в сторону камеры сгорания 3.
Это позволяет предотвратить отложение углерода и других веществ на резьбовом участке нижней части света зажигания 6, что приводит к улучшению эффективности работы при замере свечи зажигания 6. При этом также обеспечивается то преимущество, что долговечность самой свечи зажигания 6 может быть увеличена, так как нижняя часть свечи зажигания 6 защищена выступающим участком 29. Далее теплота, которая приложена в свече зажигания 6, может рассеиваться в головке цилиндра 8 благодаря выступающему участку 29, при этом обеспечивается то преимущество, что долговечность к воздействию теплоты также может быть увеличена.
С другой стороны, то, что полость 25 поршня 2 заключена внутри мнимой сферической поверхности 25a у верхней части поршня 2, а также у нижнего конца являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки 2a поршня 2, дает возможность легко установить свечу зажигания 6 в полости 25. При этом также обеспечивается то преимущество, что может быть облегчено образование потока падения.
В связи с тем, что позиционные соотношения между инжектором 1, впускным клапаном 4 и мнимой сферической поверхностью 25a установлены таким образом, что форсунка впрыска инжектора 1 и клапанный элемент впускного клапана 4 расположены внутри мнимой сферической поверхности 25a, когда поршень 2 достиг верхней мертвой точки, в полости 25 может быть образована богатая воздушно-топливная смесь.
Далее значение (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc) устанавливают так, чтобы оно лежало в диапазоне от 0,4 до 0,6; здесь Va отображает объем полости 25, а Vb представляет собой объем, расположенный над полостью 25, когда поршень 2 расположен в верхней мертвой точке; Vc представляет собой объем в диапазоне, отличающемся от зоны над полостью 25, когда поршень 2 расположен в верхней мертвой точке. При этом достигается то преимущество, что может быть одновременно получено хорошо сбалансированное улучшение как выходной мощности, так и газового ресурса.
В частности, как это показано на фиг. 5a и 5b, чрезмерно высокое полостное объемное отношение приводит к снижению максимального момента вращения и максимальной выходной мощности, в то время как чрезмерно низкое полостное объемное отношение приводит к снижению газового ресурса. Однако при установке оптимального значения полостного объемного отношения может быть достигнуто одновременно улучшение как выходной мощности, так и газового ресурса.
Следует выбирать оптимальную величину зазора D3 со стороны выпуклого клапана (D3 = от 5 до 8 мм), как это показано звездочкой на графике фиг. 8. При этом достигается то преимущество, что может быть осуществлено состояние 8b. В отличие от этого имеющее форму клина пространство распространения пламени 26 может быть также образовано за счет того, что являющаяся стороной впускного клапана верхняя стенка 2a и являющаяся стороной выпускного клапана верхняя стенка 2b поршня 2 имеют одинаковый наклон, а являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка 8b головки цилиндра 8 имеет наклон больший, чем являющаяся стороной выпускного клапана верхняя стенка 2b поршня 2.
Далее будет приведено описание первой - третьей модификаций двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Первая модификация показана на фиг. 6, 7 и фиг. 23 - 30; она отличается от описанного выше первого варианта только формой выемки 25. В частности, в соответствии с первой модификацией выемка 25 имеет форму полостей 25A, 25B, которые имеют главным образом прямоугольную форму поперечного сечения, как это показано на фиг. 6a - 6c и на фиг. 7a - 7c.
Далее приводится краткое описание поршня 2, снабженного полостью 25A (25B). На внешнем периферическом краевом участке 40 верхней стенки поршня, расположенном на стороне впускного клапана 4, имеется планарный (плоский) участок 41, который идет под прямым углом к направлению перемещения поршня 2. Полость 25A (25B) образована между направляющим участком 42, предназначенным для направления поданного воздуха в полость 25A (25B), поднятым (возвышающимся) участком 43, предназначенным для направления потока поданного воздуха, который втекает в полость 25A (25B) и течет к окрестности свечи зажигания 6, и соединительным участком 44, который соединяет между собой указанный направляющий участок и указанный поднятый участок и представляет собой главным образом плоскую поверхность.
В результате поток поданного воздуха протекает вдоль направляющего участка 42, который плавно соединяет плоский участок 41 со стенкой основания (с соединительным участком 44) полости 25A (25B). После этого поток поданного воздуха отклоняется вверх у поднятого участка 43 и затем идет к окрестности свечи зажигания 6. Поэтому образуется поток падения.
Вне зависимости от устройства полости 25A (25B), двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в результате получают то преимущество, что он по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания имеет как лучший газовый ресурс, так и большую выходную мощность.
На фиг. 31 - 38 показана вторая модификация двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, которая отличается от описанного выше первого варианта только тем, что в поршне смежно с полостью 25 образована выемка 52, при помощи которой создается пространство в окрестности свечи зажигания.
С другой стороны, на фиг. 39 - 46 показана третья модификация двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, в которой в дополнение к полости 25 образована выемка (клапанная выемка) 50, при помощи которой создается зазор между поршнем 2 и выпускным клапаном 5.
Двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, с поршнем, который сконструирован в соответствии со второй или третьей модификациями, также обладает тем преимуществом, что по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания он имеет как лучший газовый ресурс, так и большую выходную мощность.
(б) Описание второй модификации.
Далее приводится описание второй модификации двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 11a - 11c и на фиг. 47 - 54 схематично показан поршень как основной элемент. Следует иметь в виду, что вторая модификация отличается от описанного выше первого варианта только формой выемки в поршне 2, остальная же часть конструкции одинакова.
В таком двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр можно получить как лучший газовый ресурс, так и большую выходную мощность путем изменения момента впрыска топлива в зависимости от скорости двигателя и/или его нагрузки. В ходе вращения с малой скоростью или при работе двигателя с малой нагрузкой, может быть осуществлена, в частности, работа с бедным горением, при этом высокий газовый ресурс может быть достигнут за счет впрыска топлива в такте сжатия. Конкретно, при впрыске топлива в такте сжатия можно удерживать поток падения в полости 25 до поздней стадии такта сжатия, так что слой с высокой концентрацией топлива может быть образован в потоке падения вокруг свечи зажигания 6 внутри полости 25, при этом слои поданного воздуха могут быть образованы вокруг слоя топлива. В результате удается обеспечить зажигание и получить состояние стабильного горения даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедна, если ее рассматривать по отношению ко всей камере сгорания.
Однако для действительного достижения операции бедного горения при состоянии стабильного сгорания путем впрыска топлива в такте сжатия, как это указано выше, необходимо детально выбрать форму камеры сгорания 3, положения и размеры блока инжектора 1, расположение свечи зажигания 6 и т.п.
В соответствии с этим вторым вариантом камера сгорания 3 выполнена описанным далее образом.
Как показано на фиг. 11a - 11c, вогнутая вниз изогнутая полость 25C образована в верхней стенке поршня 2 на стороне впускного клапана 4.
Эта полость 25C, как это показано на фиг. 11c, образована двумя мнимыми сферическими поверхностями 25b, 25c, центры которых расположены вблизи друг от друга в верхней части на стороне впускного клапана 4, и соединительной поверхностью 25d, которая гладко соединяет друг с другом две сферические поверхности 25b, 25c.
Центры этих мнимых сферических поверхностей 25b, 25c, как это показано на фиг. 11a, расположены так, что они смещены в противоположных направлениях на одно и то же расстояние от оси, которая идет под прямым углом к направлению блока поршневого пальца 30.
Соединительная поверхность 25d образована в виде цилиндрической поверхности, при посредстве которой нижние части двух сферических поверхностей 25b, 25c соединены вместе. В результате форма поперечного сечения камеры сгорания 3 главным образом такая же, как и для камеры сгорания описанного выше первого варианта.
За счет полости 25C возможно создать в поршне 2 большой полостной объем при относительно малой площади поверхности полости в сравнении с объемом полости.
В результате становится возможным достижение увеличения газового ресурса без необходимости существенного снижения потерь тепла, а именно без снижения выходных параметров.
Придание полости 25C главным образом сферической формы создает благоприятные условия для образования вихря или, другими словами, потока падения за счет потока поданного в камеру сгорания 3 воздуха.
В том случае, если двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения сконструирован как описано выше, поток поданного воздуха, который втекает в камеру сгорания 3 через впускной клапан 4, направляется полостью 25C, образованной в поршне 2, таким образом, что образуется поток падения; при впрыске топлива в этот поток падения возникает возможность образования слоя с высокой концентрацией топлива и слоев поданного воздуха в этом потоке падения.
Следует иметь в виду, что, так как две мнимые сферические поверхности 25b, 25c, образующие полость 25C, расположены рядом друг с другом вдоль направления блока поршневого пальца 30, то они образуют сферическую полость, если смотреть по направлению течения поданного воздуха, то есть по направлению, в котором образован поток падения (см. фиг. 11b). В результате может быть осуществлено слоистое сгорание, как и в первом варианте.
Конкретно, форма полости 25C и оптимальное позиционное относительное расположение полости 25C и свечи зажигания 6 также способствуют образованию слоистости поданного воздуха и топлива; в результате удается обеспечить надежное зажигание и сгорание в ходе вращения с малой скоростью или при работе с малой нагрузкой двигателя, даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедная по отношению к полному объему камеры сгорания 3.
Более конкретно, в ходе вращения с малой скоростью или при работе двигателя с малой нагрузкой, впрыск топлива осуществляется в такте сжатия. При впрыске топлива в такте сжатия можно удерживать поток падения в полости 25C до поздней стадии такта сжатия, так что слой с высокой концентрацией топлива может быть образован вокруг свечи зажигания 6, за счет того, что впрыснутое в полость 25C топливо сохраняет локальность и не распространяется по всей полости 25C. Кроме того, при этом слои поданного воздуха могут быть образованы вокруг слоя топлива, образующего поток падения, что благоприятствует образованию слоистости поданного воздуха и топлива.
Даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедна, если ее рассматривать по отношению ко всей камере сгорания 3, то в результате указанного удается получить состояние стабильного горения, так что может быть обеспечена работа с бедным горением.
Кроме того, при указанной выше форме полости 25C удается получить относительно малую площадь поверхности полости при достижении большого объема полости поршня. В результате этого достигается преимущество, связанное с тем, что газовый ресурс может быть улучшен без существенного снижения выходных характеристик мощности.
Следует также иметь в виду, что упомянутая выше соединительная поверхность 25d необязательно должна быть цилиндрической поверхностью; она может быть поверхностью любой формы, если только осуществляется гладкое соединение двух сферических поверхностей 25b и 25c друг с другом.
(в) Описание третьего варианта.
Далее приводится описание третьей модификации двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 12 схематично показана конструкция его камеры сгорания.
Как показано на фиг. 12 конструкция этого варианта в основном соответствует конструкции первого варианта.
В двигателе, таком как двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, совместно как высокая выходная мощность, так и высокий газовый ресурс могут быть достигнуты изменением момента времени впрыска топлива в зависимости от скорости двигателя и/или нагрузки двигателя.
В ходе вращения на низкой скорости или при работе двигателя с малой нагрузкой может быть осуществлена, в частности, операция бедного горения, при этом высокий газовый ресурс может быть обеспечен впрыском топлива в такте сжатия.
В частности, впрыск топлива в такте сжатия делает возможным образование слоя с высокой концентрацией топлива вокруг свечи зажигания 6 внутри полости 25, а также дает возможность образования потока падения всосанного воздуха вокруг указанного выше слоя. В результате удается обеспечить зажигание и получить состояние стабильного горения даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедна, если ее рассматривать по отношению ко всей камере сгорания.
Однако для действительного достижения операции бедного горения при состоянии стабильного сгорания путем впрыска топлива в такте сжатия, как это указано выше, необходимо выбрать форму камеры сгорания 3 и других элементов.
В соответствии с этим третьим вариантом камера сгорания 3 образована так, как это описано ниже.
Конкретно, верхняя стенка камеры сгорания 3 имеет форму двускатной крыши, образованную нижней стенкой головки цилиндра 8, причем верхняя стенка поршня 2 также имеет форму горы в соответствии с формой двускатной крыши головки цилиндра 8. Кроме того, поршень 2 имеет полость 25 сферической формы.
Форсунка впрыска инжектора 1 расположена непосредственно напротив внутренней части камеры сгорания 3, так что производится прямой впрыск топлива в камеру сгорания 3. Кроме того, работой инжектора 1 управляет, например, не показанный на чертежах контроллер, который производит впрыск топлива в заданном количестве в заданное время от инжектора 1.
Топливо впрыскивается в полость 25 поршня 2. Воздух (который поступил через впускной канал 9, который идет главным образом вертикально над впускным клапаном 4) и топливо перемешиваются в камере сгорания 3, в результате чего образуется воздушно-топливная смесь. Затем воздушно-топливная смесь воспламеняется при помощи свечи зажигания 6 в камере сгорания 3 и вслед за расширением (выработкой мощности) результирующий отработанный газ выпускается через выхлопной канал 10. На чертеже позицией 7 показан блок цилиндра, а позицией 8 - головка цилиндра.
В третьем варианте не задаются точно установочное положение свечи зажигания 6, цифровые значения установки ее увеличенной длины или установки объемного отношения полости. В этом третий вариант отличается от второго варианта.
В результате достоинством третьего варианта является то, что проще осуществить размерный контроль при сборке двигателя или при изготовлении его частей, чем при использовании первого и второго вариантов. Конкретно, так как форма камеры сгорания 3 точно не задается, то становится проще осуществление размерного контроля узлов двигателя, в особенности частей, определяющих форму камеры сгорания, при этом контроль точности сборки двигателя в целом также становится проще.
Кроме того, даже во время вращения на малой скорости или при работе двигателя при низкой нагрузке возникает возможность улучшения слоистости введенного воздуха и топлива , в результате удается обеспечить зажигание и получить состояние стабильного горения даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедна, если ее рассматривать по отношению ко всей камере сгорания 3.
Конкретно, во время вращения на малой скорости или при работе двигателя при низкой нагрузке впрыск топлива производят в такте сжатия. В таком случае поток падения поддерживается до последнего этапа такта сжатия в полости 25. Поэтому можно осуществить концентрацию топлива вблизи свечи зажигания 6, при этом топливо, впрыснутое в полость 25, остается в локальной области и не распространяется по всему объему полости 25. Кроме того, могут быть также образованы слои поданного воздуха вокруг слоя топлива, образующего поток падения, в результате чего можно способствовать слоистости поданного воздуха и топлива.
В результате, даже при чрезвычайно бедной воздушно-топливной смеси по отношению к полному объему камеры сгорания 3, может быть достигнуто состояние надежного сгорания, так что может быть осуществлена работа с бедным горением.
Несмотря на отсутствие точного знания формы камеры сгорания 3, как это упоминалось выше, придание выемке 25 в поршне 2 сферической формы, а верхней стенке поршня 2 формы двускатной крыши обеспечивает указанные далее преимущества.
В частности, когда поток подаваемого воздуха вводится в камеру сгорания 3 через впускной канал 9, устроенный так, что он идет главным образом вертикально над впускным клапаном 4, то поток подаваемого воздуха течет вниз в направлении поршня 2, а затем направляется вверх вдоль стенки сферической полости 25, в результате чего образуется поток падения (продольный вихрь). При впрыске топлива в поток падения образуется слоистая воздушно-топливная смесь.
Далее придание верхней стенке поршня 2 формы горы, которая идет главным образом вдоль головки цилиндра 8 в форме двускатной крыши, дает возможность уменьшить пространство между поршнем 2 и головкой цилиндра 8, когда поршень находится в поднятом положении. В результате может быть увеличена степень сжатия двигателя, так что значительно может быть увеличена выходная мощность.
В результате можно снизить производственные расходы при одновременном достижении взаимно противоречивых требований, а именно при получении высокого газового ресурса и высокой выходной мощности.
(г) Описание четвертого варианта.
Далее приводится описание четвертой модификации двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 13 схематично показано поперечное сечение камеры сгорания как основного элемента четвертого варианта, а на фиг. 14 схематично показан вид в плане поршня как другого основного элемента четвертого варианта.
В четвертом варианте камера сгорания 3 сконструирована главным образом также, как и в первом описанном выше варианте. Четвертый вариант отличается от первого варианта только описанными далее элементами.
В двигателе, таком как двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, как высокая выходная мощность, так и высокий газовый ресурс могут быть достигнуты изменением момента времени впрыска топлива в зависимости от скорости двигателя и/или нагрузки двигателя. В ходе вращения на низкой скорости или при работе двигателя с малой нагрузкой должна быть осуществлена, в частности, операция бедного горения, при этом высокий ресурс может быть обеспечен впрыском топлива в такте сжатия. В частности, впрыск топлива в такте сжатия делает возможным сохранение потока падения в полости 25 до поздней стадии такта сжатия, так что слой с высокой концентрацией топлива может быть образован вокруг свечи зажигания 6 внутри полости 25, а вокруг слоя топлива могут быть образованы также слои поданного воздуха. В результате удается обеспечить зажигание и получить состояние стабильного горения даже если результирующая воздушно-топливная смесь чрезвычайно бедна, если ее рассматривать по отношению ко всей камере сгорания.
Однако для действительного достижения операции бедного горения при состоянии стабильного сгорания путем впрыска топлива в такте сжатия, как это указано выше, необходимо детально выбрать форму камеры сгорания 3, положения и размеры таких устройств, как инжектор 1, свечи зажигания 6 и т.п.
В этом четвертом варианте камера сгорания 3 образована так, что это указано далее.
В частности, в этом четвертом варианте зазор между верхней стенкой поршня 2 и нижней стенкой головки цилиндра 8 различен со стороны впускного клапана 4 и со стороны выпускного клапана 5, как это показано на фиг. 13. Конкретно зазор установлен таким, что зазор a со стороны впускного клапана 4 больше зазора b со стороны выпускного клапана 5.
Однако отличие зазора a от зазора b не очень большое и не оказывает существенного влияния на объемное отношение, которое объяснялось выше при рассмотрении первого варианта. Конкретно, объемное отношение устанавливают таким образом, что значение (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc) лежало в диапазоне от 0, 4 до 0,6, как и в первом варианте; здесь Va отображает объем полости 25, а Vb представляет собой объем между являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой 8a и являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой 2a и между являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой 8b и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 8b, распложенный над полостью 25, когда поршень 2 расположен в верхней мертвой точке; Vc представляет собой объем между являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой 8a и являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой 2a и между являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой 8b и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 2b в диапазоне, отличающемся от зоны над полостью 25, когда поршень 2 расположен в верхней мертвой точке.
Кроме того, полости 25 также придана сферичекая форма по той причине, как это объяснено в первом варианте, что придание полости сферической формы может минимизировать площадь поверхности полости по отношению к объему полости Va поршня 2. Минимизация площади поверхности полости позволяет снизить потери тепла и, следовательно, улучшить эффективность горения.
Далее описаны причины, по которым зазор a со стороны впускного клапана 4 установлен большим чем зазор b со стороны выпускного клапана 5.
Как это объяснено детально выше при описании первого варианта, потери тепла становятся меньше и эффективность сгорания улучшается, если площадь поверхности камеры сгорания 3 становится меньше. Поэтому желательно уменьшить площадь поверхности камеры сгорания 3, без изменения объема камеры сгорания 3 и степени сжатия в ней.
Однако, как это было объяснено выше, выходные характеристики и газовый ресурс двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр существенно изменяются в зависимости от формы и объема поршня 2, камеры сгорания 3 или положения блока свечи зажигания 6. В результате существует потенциальная проблема ухудшения баланса между характеристиками выходной мощности и параметрами газового ресурса, если существенно изменяется форма камеры сгорания в соответствии с первым вариантом.
Для того, чтобы уменьшить площадь поверхности без существенного изменения формы камеры сгорания 3, о чем говорилось выше по поводу первого варианта, в четвертом варианте использована такая конструкция, при которой являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a поршня 2 расположена на большем удалении от впускного клапана 4 по сравнению с описанным выше для первого варианта, а являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка 2b поршня 2 расположена слегка ближе к выпускному клапану 5 по сравнению с описанным выше для первого варианта. Конкретно, в камере сгорания 3, зазор a со стороны впускного клапана и зазор b со стороны выпускного клапана установлены так, что выполняется неравенство a > b.
При использовании такой конструкции, площадь поверхности являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки 2b поршня 2 существенно не изменяется, однако площадь поверхности являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки 2a сокращается в большей степени, чем изменение площади поверхности являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки 2b.
Это достигается за счет размещения основной части полости 25 на стороне впускного клапана поршня 2, как это показано на фиг. 14. В частности, когда перемещается вниз являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a поршня 2, то поверхность полости 25 (в особенности зона поверхности, простирающаяся в вертикальном направлении относительно являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки 2a) соответственно сокращается. Другими словами, являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a претерпевает большие изменения площади поверхности по сравнению с являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой 2b, когда эти стенки перемещаются в вертикальном направлении, потому что полость 25 выполнена на стороне впускного клапана.
Кроме того, зона напротив нижней стенки головки цилиндра (зона S1 на фиг. 14), расположенная вне зоны поверхности являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки 2a поршня 2, меньше, чем зона напротив нижней стенки головки цилиндра (зона S2: на фиг. 14), расположенная вне зоны поверхности являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки 2b, по причине существования полости 25. Для изменения зазора a со стороны впускного клапана и зазора b со стороны выпускного клапана, при одновременном сохранении степени сжатия, эквивалентной степени сжатия для первого варианта, необходимо, если вести рассуждение на основании конструкции в соответствии с первым вариантом, установить расстояние, на которое удаляется от впускного клапана 4 являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a, большим, чем расстояние, на которое приближается к выпускному клапану 5 являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка 2b. Другими словами, устанавливают такие значения этих расстояний, что увеличение объема со стороны, впускных клапанов 4 и уменьшение объема со стороны выпускных клапанов 5 сбалансированы. Если есть желание обеспечить в такой конструкции степень сжатия, эквивалентную степени сжатия в первом варианте, то расстояние, на которое удаляется от впускного клапана 4 являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a, должно быть большим в два раза, чем расстояние, на которое приближается к выпускному клапану 5 являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка 2b.
Путем установки зазора a со стороны впускного клапана большим, чем зазор b со стороны выпускного клапана, как это указано выше, площадь поверхности камеры сгорания 3 может быть дополнительно уменьшена. Это позволяет уменьшить потери тепла и, следовательно, улучшить эффективность сгорания.
Штрихпунктирной линией с двумя точками на фиг. 13 и 14 показана форма верхней стенки поршня 2 в соответствии с первым вариантом.
Так как двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с четвертым вариантом настоящего изобретения сконструирован указанным выше образом, что он обладает преимуществами, аналогичными указанным для первого варианта; более того, такой двигатель обладает указанными ниже дополнительными преимуществами.
Конкретно, во время вращения на малой скорости или при работе двигателя при низкой нагрузке, можно способствовать обеспечению слоистости поданного воздуха и топлива, в результате чего может быть осуществлено надежное зажигание и сгорание, даже при чрезвычайно бедной воздушно-топливной смеси по отношению к полному объему камеры сгорания 3. В частности, во время вращения на малой скорости или при работе двигателя при низкой нагрузке, впрыск топлива производят в такте сжатия. В таком случае поток падения поддерживается до последнего этапа такта сжатия в полости 25. Поэтому можно осуществить концентрацию топлива вблизи свечи зажигания 6, при этом топливо, впрыснутое в полость 25, остается в локальной области и не распространяется по всему объему полости 25. Кроме того, могут быть также образованы слои поданного воздуха вокруг слоя топлива, образующего поток падения, что способствует обеспечению слоистости поданного воздуха и топлива.
Даже при чрезвычайно бедной воздушно-топливной смеси по отношению к полному объему камеры сгорания 3 может быть достигнуто состояние надежного сгорания, так что может быть осуществлена работа с бедным горением.
В частности, путем установки зазора a со стороны впускного клапана большим, чем зазор b со стороны выпускного клапана, площадь поверхности камеры сгорания 3 может быть дополнительно уменьшена, что позволяет уменьшить потери тепла и, следовательно, улучшить эффективность сгорания. При такой конструкции эффективность сгорания увеличена, например, ориентировочно на 25 в четвертом варианте по сравнению с первым вариантом.
Далее, такая форма поршня 2, в частности, такая форма камеры сгорания 3, которая отвечает неравенству a > b, в котором a представляет собой зазор со стороны впускного клапана, а b - зазор со стороны выпускного клапана, может быть применена в описанном выше втором варианте. При такой конструкции в соответствии со вторым вариантом также имеется возможность снижения площади поверхности камеры сгорания 3, как это описано выше, в результате чего можно снизить потери тепла. При этом обеспечивается преимущество, связанное с тем, что эффективность сгорания может быть улучшена.
Так как площадь являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки 2a, расположенной напротив нижней стенки головки цилиндра, еще меньше по сравнению с первым вариантом, то расстояние, на которое являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка 2a удалена от впускного клапана 4, может быть установлено большим, чем расстояние поршня 2 в соответствии с первым вариантом. В результате эффект снижения потерь тепла становится более заметным.
(д) Описание пятого варианта
Далее приводится описание пятой модификации двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг. 55, корпус камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр содержит головку цилиндра 121 и блок цилиндра 123; поршень 122 введен соответствующим образом в цилиндр 123A блока цилиндра 123.
Головка цилиндра 121 четырехтактного двигателя внутреннего сгорания устроена таким образом, что на одной стороне ее нижней стенки предусмотрен цилиндр с двумя впускными клапанами, а на противоположной стороне этой же стенки стоят два выпускных клапана.
Между верхней стенкой поршня 122 и нижней стенкой 121A головки цилиндра 121 образована камера сгорания 127.
Через нижнюю стенку 121A головки цилиндра впускной клапан 124 и выпускной клапан 125 сообщаются с камерой сгорания 127 при посрдстве впускного окна 124A и выпускного окна 125A соответственно.
Во впускном и выпускном окнах 124A, 125A впускного и выпускного каналов 124 и 125 стоят соответственно не показанные на чертежах впускной и выпускной клапаны, так что эти окна 124A, 125A могут открываться и закрываться при помощи этих клапанов.
Устройство камеры сгорания 127 показано на фиг. 55, 56 и 58. По центру вокруг мнимой плоскости 140, в которой расположена центральная ось 142 цилиндра 124A и ось не показанного коленвала, располагается нижняя стенка 121A головки цилиндра, имеющая форму двускатной крыши и образованная являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой, расположенной на одной стороне мнимой плоскости 140, и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой, расположенной на противоположной стороне мнимой плоскости 140. Кроме того, верхняя стенка поршня 122, имеющая форму двускатной крыши, образована являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой, расположенной на одной стороне мнимой плоскости 140, и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой, расположенной на противоположной стороне мнимой плоскости 140, таким образом, что эти стенки соответствуют являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенке и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенке, соответственно.
В головке цилиндра 121 предусмотрены два впускных канала 124, расположенные на одной стороне мнимой плоскости 140, и два выпускных канала 125, расположенные на противоположной стороне мнимой плоскости 140.
Кроме того, как это показано на фиг. 55 и 58, свеча зажигания 130 установлено по центру в верхней части камеры сгорания 127, а именно, вблизи мнимой плоскости 140 или в самой этой плоскости.
В головке цилиндра 121 два впускных канала 124 проходят главным образом прямо (вертикально), причем впускные окна 124A впускных каналов 124 расположены так, что они направлены вниз к окрестности мнимой плоскости 140.
Для подачи топлива H в камеру сгорания 127 предусмотрен инжектор 128, расположенный на боковой стенке головки цилиндра со стороны впускных каналов 124.
Инжектор 128 выполнен таким образом, что образованная на его свободном конце форсунка впрыска 128A стоит напротив камеры сгорания 127 и выходит в нее через боковую стенку головки цилиндра 121, в результате чего может быть осуществлен прямой впрыск топлива в камеру сгорания 127.
Инжектор 128 управляется, например, при помощи не показанного на чертежах контроллера так, что осуществляется впрыск заданного количества топлива в заданное время.
Как это будет описано далее более подробно, контроллер осуществляет управление таким образом, что по меньшей мере в диапазоне малой нагрузки и вращения с малой скоростью, впрыск топлива производится на последней стадии такта сжатия, таким образом, чтобы образовать обратный поток падения богатой воздушно-топливной смеси вокруг свечи зажигания, однако в диапазоне большой нагрузки и вращения с высокой скоростью впрыск топлива производится на ранней стадии такта впуска, таким образом, чтобы образовать однородную воздушно-топливную смесь в камере сгорания.
Около установочного участка инжектора 128 устроены два впускных канала 124, которые выходят главным образом вертикально из головки цилиндра 121, как это было описано выше, так что имеется достаточно места вокруг окон 124A впускных каналов 124 для установки инжектора 128.
Установка свечи зажигания 130 в мнимой плоскости 140 или рядом с ней также обеспечивает достаточную свободу для выбора положения блока инжектора 128, в результате чего инжектор 128 может быть установлен в оптимальном для впрыска топлива положении.
Хотя это и не показано на чертежах, возможно производить охлаждение топлива, подаваемого в инжектор 1 и в камеру сгорания 127, путем образования охлаждающего прохода вокруг инжектора 128, установленного на головке цилиндра.
Как это упоминалось ранее, поршень 122 введен соответствующим образом в цилиндр 123A. Как это показано на фиг. 55 и 56, поршень 122 имеет полостной участок 122A, образованный в имеющем форму двускатной крыши поднятом участке 128B, который образован являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой и являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой верхнего участка поршня.
Этот полостной участок 122A образован в верхнем участке поршня 122, в той его части, которая расположена под впускными окнами 124A, и имеет изогнутую вниз поверхность, так что наклонные стенки поднятого участка 122B имеют вырез в нижнем направлении.
Конкретно, этот полостной участок 122A устроен в положении, смещенном от центра мнимой плоскости 140 в сторону впускных окон 124A, и имеет, как это показано в качестве примера на фиг. 56, сферическую изогнутую вниз форму.
В результате, когда поршень 122 достигает конца такта сжатия, образуется компактная камера сгорания 127A, ограниченная полостным участком 122A поршня 122, внутренней стенкой цилиндра 123A и нижней стенкой головки цилиндра 121, как это показано на фиг. 59.
Как показано на фиг. 56 и 57, выходная сторона периферического края полостного участка 122A для вертикального вихря образована как наклонный участок в слегка закругленном участке M1, в диапазоне, показанном стрелкой, причем угловой участок, в котором встречаются друг с другом наклонная стенка поднятого участка 122B на стороне выпускных окон 125A и внутренняя стенка поднятого участка 122A, который также служит выходной стороной периферического края полостного участка для вертикального вихря, образован на остром краевом участке M2, в диапазоне, показанном стрелкой.
В результате угловой участок поднятого участка 122A на входной стороне для вертикального вихря образован менее острым, чем угловой участок на выходной стороне для вертикального вихря.
Кроме того, как показано на фиг. 59, зона выхлопа 122C образована между поднятым участком 122B верхней стенки поршня 122 и стороной выпускных окон 125A над камерой сгорания 127.
В результате, как это показано на фиг. 55, 56 и 59, поток поданного воздуха, который введен через впускные каналы 124, течет в сторону поршня 122, расположенного в нижней части внутри цилиндра 123A. У поднятого участка 122A поршня 122 поток поданного воздуха направляется от стороны закругленного участка M1 на входной стороне для вертикального вихря и далее идет вдоль внутренней стенки полостного участка 122A. При помощи острого краевого участка M2 на выходной стороне для вертикального вихря, этот вертикальный вихрь затем эффективно отделяется и имеет возможность течь вверх, так что образуется обратный поток падения TF, который представляет собой вертикальный вихрь.
Поэтому в камере сгорания 127 поток поданного воздуха способствует образованию обратного потока падения TF вдоль полостного участка 122A.
Инжектор 128 управляется, например, при помощи не показанного на чертежах контроллера так, что осуществляется впрыск заданного количества топлива в заданное время.
В таком двигателе внутреннего сгорания, например, в случае четырехтактного двигателя впускной клапан открывается ранее достижения верхней мертвой точки (ВМТ), то есть 0o, при входе в такт впуска, а выпускной клапан закрывается позже достижения ВМТ, то есть 0o, для завершения такта выпуска предыдущего цикла, как это показано на фиг. 60. После этого поршень 122 опускается на 180o (в терминах угла поворота кривошипа), причем в ходе этого опускания образуется обратный поток падения TF, как это показано на фиг. 55 и 59. В этот обратный поток падения TF производится впрыск топлива от инжектора 128 в заданный момент времени, например, в такте впуска или на поздней стадии такта сжатия.
Когда достигнут заданный промежуток времени зажигания перед ВМТ, например, 360o, включают не показанный на чертежах контур зажигания, который инициирует процесс зажигания (момент времени начала процесса показан меткой Δ на фиг. 60) при помощи свечи зажигания 130. При помощи этого процесса зажигания впрыснутое топливо воспламеняется и начинает гореть, при этом давление в цилиндре камеры сгорания 127 возрастает. В результате этого поршень 122 толкается вниз и производит выходную работу, причем рабочий такт протекает почти до 540o (в терминах угла кривошипа), то есть до нижней мертвой точки (НМТ).
Вблизи угла кривошипа 480o выпускной клапан открывается и такт выпуска продолжается до угла кривошипа более 720o, в результате чего осуществляется операции открывания впускного клапана для следующего такта впуска, чтобы завершить 4 такта.
Моменты впрыска инжектора 128 четырехтактного двигателя подбираются таким образом, что, например, в показанном на фиг. 60 случае инжектор 60 осуществляет впрыск в заданный момент времени впрыска PH на ранней стадии такта впуска, если двигатель работает в диапазоне высокой нагрузки или вращается при высокой скорости, но в заданный момент времени впрыска PL на поздней стадии такта сжатия, если двигатель работает в диапазоне малой нагрузки или вращается при малой скорости.
В данном случае можно способствовать гомогенизации перемешивания топлива и, следовательно, осуществлению плавного и быстрого сгорания в диапазоне высокой нагрузки или вращения при высокой скорости за счет начала перемешивания топлива с воздухом в виде обратного потока падения TF на ранней стадии, а также за счет усиления перемешивания воздушно-топливной смеси в результате разрыва потока падения на поздней стадии такта сжатия.
С другой стороны, при низкой нагрузке или при вращении с малой скоростью, впрыск топлива задержан, например, до последней стадии такта сжатия, чтобы дождаться образования компактной камеры сгорания 127A. В данном случае впрыск топлива осуществляется в направлении полостного участка 122A, так что топливо направляется к свече зажигания 130 и в область вокруг нее. В результате образуется обратный поток падения богатой воздушно-топливной смеси вокруг свечи зажигания 130, за счет чего появляется возможность осуществления стабильного зажигания при слоистом сгорании.
Предыдущее описание было проведено на примере четырехтактного двигателя. Но настоящее изобретение может быть также применено и для двухтактного бензинового двигателя.
В этом случае может быть использована конструкция основного корпуса, аналогичная описанной выше конструкции.
В случае двухтактного двигателя, как это показано на фиг. 61, предыдущий рабочий такт осуществляется от ВМТ, то есть от 0o, не показанный на чертежах выпускной клапана для входа в такт выпуска открывается при угле кривошипа около 90o, а при достижении угла кривошипа 120o открывается не показанный на чертежах впускной клапан для входа в такт впуска (продувки).
Далее после НМТ, выпускной клапан закрывается с небольшим опережением угла кривошипа 230o или вблизи от этой точки, а впускной клапан закрывается с небольшим опережением угла кривошипа 270o или вблизи от этой точки, чтобы войти в рабочий такт. Затем инжектор 128 включается для впрыска топлива в заданный момент времени в такте впуска или в также сжатия.
Когда достигнут заданный момент времени перед ВМТ, не показанный на чертежах контур зажигания включается и инициирует процесс зажигания (момент времени начала процесса показан меткой Δ на фиг. 6) при помощи свечи зажигания 130. При помощи этого процесса зажигания впрыснутое топливо воспламеняется и начинает гореть, при этом давление в цилиндре камеры сгорания 127 возрастает. В результате этого поршень 122 толкается вниз и производит выходную работу.
Моменты впрыска инжектора 128 управляются таким образом, что, например, инжектор осуществляет впрыск в заданный момент времени впрыска PH на ранней стадии такта впуска, только если двигатель работает в диапазоне высокой нагрузки или вращается при высокой скорости, но, в отличие от этого, осуществляет впрыск в заданный момент времени впрыска PL на поздней стадии такта сжатия, если двигатель работает в диапазоне малой нагрузки или вращается при малой скорости.
В таком случае можно способствовать гомогенизации перемешивания топлива и, следовательно, осуществлению плавного и быстрого сгорания в диапазоне высокой нагрузки или вращения при высокой скорости, за счет начала перемешивания топлива с воздухом в виде обратного потока падения TF на ранней стадии, а также за счет усиления перемешивания воздушно-топливной смеси в результате разрыва потока падения на поздней стадии такта сжатия.
С другой стороны, при низкой нагрузке или при вращении с малой скоростью, впрыск топлива задержан, например, до последней стадии такта сжатия, чтобы дождаться образования компактной камеры сгорания 127A. В данном случае впрыск топлива осуществляется в направлении полостного участка 122A, так что топливо направляется к свече зажигания 130 и в область вокруг нее. В результате образуется обратный поток падения богатой воздушно-топливной смеси вокруг свечи зажигания 130, за счет чего появляется возможность осуществления стабильного зажигания при слоистом сгорании.
Если камера сгорания двигателя внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения сконструирована так, как это описано выше, то поток поданного воздуха поступает в камеру сгорания 127 из каждого впускного канала 124 через соответствующие впускные окна 124A в такте впуска двигателя.
Так как инжектор 128 устроен таким образом, что образованная на его свободном конце форсунка впрыска 128A стоит напротив камеры сгорания 127 и управляется, например, при помощи не показанного на чертежах контроллера, то впрыск топлива осуществляется в заданный момент времени, а затем топливо перемешивается с поданным во время впрыска воздухом, в результате чего образуется слоистая воздушно-топливная смесь или гомогенная воздушно-топливная смесь.
Вертикальный вихрь, который втекал из верхней части в направлении нижней части камеры сгорания 127, приближается к внутренней стенке полостного участка 122A через слегка закругленный участок M1, который расположен на верхней стенке поршня 122 и на стороне впуска полостного участка 122A, протекает вдоль изогнутой поверхности внутренней стенки полостного участка 122A, а затем при помощи острого краевого участка M2 углового участка наклонной стенки поднятого участка поршня 122B эффективно отделяется от поднятого участка 122B, в результате чего вертикальный вихрь изменяет свое направление в сторону верхней части камеры сгорания 127.
Другими словами, впускные окна 124A устроены на одной стороне головки цилиндра 121 по отношению к мнимой плоскости 140, а полостной участок 122A расположен ниже впускных окон 124A, так что они смотрят друг на друга. Поэтому поток поданного воздуха, который течет в направлении стенки цилиндра 123A на стороне впускных окон 124A, то есть полостного участка 122A, направляется изогнутой поверхностью полостного участка 122A и затем искривленной поверхностью полостного участка 122A, и превращается в поток, идущий вверх в направлении центральной части нижней стенки 121A головки цилиндра или в ее окрестность.
Так как нижняя стенка 121A головки цилиндра имеет форму двускатной крыши, то вертикальный вихрь поданного воздуха вновь течет в направлении стенки цилиндра 123A на стороне впускных окон 124A и идет к полостному участку 122A, в результате чего образуется мощный обратный поток падения TF.
Так как впускные каналы 124 идут в вертикальном направлении вдоль мнимой плоскости 140 в головке цилиндра 121, то поток поданного воздуха, втекающий из впускного канала 124 в камеру сгорания 127, легко преобразуется в поток, текущий вниз вдоль стенки цилиндра 123A на стороне впускных окон 124A, а также подводится в виде мощного потока поданного воздуха в нижнюю часть (к поршню 122). При этом облегчается образование мощного вертикального потока.
Кроме того, полостной участок 122A по меньшей мере на его стороне впуска для вертикального вихря имеет слегка закругленный участок M1, а по меньшей мере на стороне выпуска для вертикального вихря имеет краевой участок M2.
За счет острого краевого участка M2 происходит легкое отделение вертикального вихря от полостного участка 122A и инверсия потока поданного воздуха вдоль искривленной поверхности полостного участка 122A. Скорость потока увеличивается, поэтому обратный поток падения может сохраняться до поздней стадии такта сжатия.
В результате, когда топливо подается в компактную камеру сгорания 127A, образованную по последней стадии такта сжатия, в частности, в полостной участок 122A, например, во время работы с низкой нагрузкой или вращения при малой скорости, то топливо имеет возможность течь к свече зажигания 130, причем топливо сохраняется в виде обратного потока падения относительно богатой воздушно-топливной смеси вокруг свечи зажигания 130 в полостном участке 122A, при минимальном протекании и перемешивании топлива в зоне выпуска 122C, так что образуется также слоистый обратный поток падения сверхбедной воздушно-топливная смеси, локализованный на удалении от свечи зажигания 130. За счет осуществления слоистого сгорания достигается стабильное сгорание, несмотря на то, что в целом воздушно-топливная смесь бедная. В результате возможно улучшить газовый ресурс.
Поэтому удается избавиться от такого недостатка, как втекание впрыснутого топлива в зону выпуска 122C, которое (топливо) могло бы затем выбрасываться в виде не сгоревшего газа, что приводило бы к снижению газового ресурса или ухудшению состава выхлопного газа.
За счет придания выходной стороне для вертикального вихря формы в виде слегка закругленного участка M1 тепло сгорания не воздействует концентрированно по меньшей мере на угловом участке открытого конца на стороне впуска для вертикального вихря, так что не образуются тепловые точки. Кроме того, за счет придания угловому участку слегка закругленной формы может быть сокращена площадь поверхности верхней стенки поршня. При этом потеря тепла, что являлось недостатком известных ранее решений, о чем упоминалось ранее, могут быть снижены, что позволяет получить двигатель с более высокой выходной мощностью.
В описанном выше пятом варианте описание велось относительно конструкции, в которой наклонный участок содержал слегка закругленный участок M1, как это показано на фиг. 62a. Однако конструкция наклонного участка может быть и другой. Преимущества описанного выше варианта могут быть все еще сохранены, если угловой участок на стороне впуска для вертикального потока полостного участка 122A, который имеет тенденцию становиться тепловой точкой, будет устранен, а наклонный участок будет иметь такую форму, при которой площадь поверхности верхней стенки поршня 122 будет сокращена, например, за счет отрезания и скашивания наклонного участка по плоскости для образования единственной наклонной стенки, как это показано на фиг. 62h; при этом наклонный участок образован в виде множества наклонных стенок, установленных в направлении течения потока, или путем комбинации с наклонной стенкой закругленной формы.
На чертежах указанного выше варианта слегка закругленный участок M1 образован как наклонный участок, так что его размер постепенно становится меньше в направлении его противоположных концов в сторону впуска периферического края полостного участка, если смотреть в направлении оси коленвала двигателя внутреннего сгорания. Однако слегка закругленный участок M1 может иметь и одинаковый размер по всей его длине. В этом случае также могут быть получены преимущества, аналогичные преимуществам для описанного выше варианта.
В соответствии с настоящим изобретением может быть установлена высокая степень сжатия. Это изобретение поэтому подходит для использования в двигателе внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, который относится к типу двигателей с искровым зажиганием и в котором осуществляется прямой впрыск топлива в камеру сгорания. Т.
Формула изобретения: 1. Двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, который содержит камеру сгорания, имеющую верхнюю стенку и основание, ограниченную нижней стенкой головки цилиндра и верхней стенкой поршня, введенного в цилиндр; впускной клапан, установленный на одной стороне нижней стенки головки цилиндра указанной камеры сгорания; выпускной клапан, установленный на противоположной стороне нижней стенки головки цилиндра указанной камеры сгорания; впускной канал, который имеет сообщение с нижним концом указанной камеры сгорания через указанный впускной клапан так, что образуется продольный вихрь поданного воздуха внутри указанной камеры сгорания; выпускной канал, который имеет сообщение с нижним концом указанной камеры сгорания через указанный выпускной клапан так, что производится выпуск отработанного газа из указанной камеры сгорания; клапан инжекции топлива, предназначенный для прямого впрыска топлива в указанную камеру сгорания, и свечу зажигания, отличающийся тем, что указанная нижняя стенка головки цилиндра, которая образует верхнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши и состоит из являющейся стороной впускного клапана на наклонной нижней стенки, образованной на стороне впускного клапана, и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенки, образованной на указанной противоположной стороне, свеча зажигания расположена в зоне верхнего участка указанной, имеющей форму двускатной крыши, верхней стенки указанной камеры сгорания, при этом указанная верхняя стенка поршня, которая образует нижнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши, которая содержит являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку, а также являющуюся стороной выпускного клапана наклонную верхнюю стенку, которые имеют форму, соответствующую форме, являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенки и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенки, причем являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка указанной верхней стенки поршня имеет полостной участок.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что указанный клапан инжекции топлива выполнен таким образом, что когда указанный поршень расположен в зоне верхней мертвой точки, осуществляется прямой впрыск топлива внутрь указанного полостного участка.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на указанной верхней стенке поршня предусмотрен выступ, разделяющий указанную являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку от указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки.
4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что указанный полостной участок поршня идет от являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки до указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки за указанный выступ.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что указанный полостной участок имеет такую форму поперечного сечения, что направление течения потока поданного воздуха внутри указанной камеры сгорания имеет форму дуги окружности.
6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что указанный полостной участок имеет форму сферической поверхности.
7. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что поршень имеет плоский участок, который образован на указанной верхней стенке указанного поршня по меньшей мере на его внешнем периферическом участке со стороны указанного впускного клапана, причем указанный полостной участок содержит участок входа потока, который слегка спускается от указанного плоского участка, так что поток всосанного воздуха, который был введен в указанную камеру сгорания, втекает в указанный полостной участок, поднятый участок, который плавно поднимается для направления потока всосанного воздуха, который втекал в указанный полостной участок от внутренней части указанного полостного участка в направлении к окрестности указанной свечи зажигания, и соединительный участок, плавно соединенный с указанным участком входа потока и указанным поднятым участком, который имеет главным образом плоскую поверхность.
8. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что указанный полостной участок образован являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой указанной верхней стенки указанного поршня, двумя сферическими поверхностями, центры которых смещены друг от друга, и соединительной поверхностью, плавно соединяющей указанные две сферические поверхности.
9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что указанные центры указанных двух сферических поверхностей расположены так, что в виде сверху на указанный поршень указанные центры смещены относительно плоскости, которая проходит под прямым углом к направлению поршневого пальца через ось указанного поршня, в направлениях удаления от указанной плоскости на одинаковое расстояние.
10. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что указанный полостной участок поршня образован как часть мнимой сферической поверхности, центр которой располагается в точке над поршнем на стороне указанного впускного клапана, так что указанный выступ поршня и нижняя оконечность указанной являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенки поршня наклонены внутрь указанной мнимой сферической поверхности.
11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что в том случае, когда поршень располагается вблизи от верхней мертвой точки, форсунка впрыска указанного клапана инжекции топлива и клапанный элемент указанного впускного клапана расположены внутри указанной мнимой сферической поверхности.
12. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что в том случае, когда поршень располагается вблизи от верхней мертвой точки, электрод заземления свечи зажигания находится внутри указанной полости поршня.
13. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что свеча зажигания выполнена таким образом, что в том случае, когда поршень располагается в верхней мертвой точке, электрод заземления свечи зажигания располагается вблизи от внутренней поверхности указанного полостного участка поршня.
14. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что указанная свеча зажигания установлена по его центральной оси, с наклоном относительно центральной оси цилиндра (С1) на заданный угол в сторону указанного выпускного клапана.
15. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в том случае, когда поршень располагается в верхней мертвой точке, зазор между указанным выпускным клапаном и указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой указанного поршня на взаимно самых узких участках между ними установлен в диапазоне от 5 до 8 мм.
16. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в том случае, когда поршень располагается в верхней мертвой точке, зазор между указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой в окрестности указанного выпускного клапана и указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой поршня установлен меньше, чем зазор между указанной являющейся стенкой впускного клапана наклонной нижней стенкой в окрестности указанного впускного клапана и указанной являющейся стороной впускного клапана наклонной верхней стенкой поршня.
17. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в том случае, когда расстояние между указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой головки цилиндра и указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой поршня расширяется в направлении центра указанной камеры сгорания, и у верхней мертвой точки поршня образуется пространство распространения пламени, которое имеет поперечное сечение главным образом в виде клина.
18. Двигатель по п.17, отличающийся тем, что указанная являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка и указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка поршня имеют одинаковый наклон, а указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка головки цилиндра имеет наклон, превышающий наклон указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенки поршня.
19. Двигатель по п.17, отличающийся тем, что указанная являющаяся стороной впускного клапана наклонная нижняя стенка и указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка головки цилиндра имеют одинаковый наклон, а указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная верхняя стенка поршня имеет меньший наклон, чем указанная являющаяся стороной выпускного клапана наклонная нижняя стенка головки цилиндра.
20. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в том случае, когда поршень расположен в верхней мертвой точке, отношение объема указанной камеры сгорания между внутренней стенкой указанного полостного участка и указанной нижней стенкой головки цилиндра над указанным полостным участком, к полному объему камеры сгорания, установлено в диапазоне от 0,4 до 0,6.
21. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что впускной канал выполнен так, что поток подаваемого воздуха, который был введен в камеру сгорания через впускной клапан, образует продольный вихрь, направленный к верхней стенке поршня.
22. Двигатель по п.21, отличающийся тем, что впускной канал расположен с одной стороны мнимой плоскости, в которой располагаются центральная ось (С1) цилиндра и ось коленвала, и идет вертикально вдоль стороны этой мнимой плоскости в головке цилиндра.
23. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенке, являющейся частью верхней стенки поршня, образованы канавки вблизи от указанного полостного участка, которые образуют пространство между указанной являющейся стороной выпускного клапана наклонной верхней стенкой и указанным выпускным клапаном.
24. Двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, который содержит камеру сгорания, имеющую верхнюю стенку и основание, ограниченную нижней стенкой головки цилиндра и верхней стенкой поршня, введенного в цилиндр; впускной клапана, установленный на одной стороне нижней головки цилиндра указанной камеры сгорания; выпускной клапан, установленный на противоположной стороне нижней стенки головки цилиндра указанной камеры сгорания; впускной канал, который имеет сообщение с нижним концом указанной камеры сгорания через указанный впускной клапан, так что образуется продольный вихрь поданного воздуха внутри указанной камеры сгорания; выпускной канал, который имеет сообщение с нижним концом указанной камеры сгорания через указанный выпускной клапан, так что производится выпуск отработанного газа из указанной камеры сгорания; клапан инжекции топлива, предназначенный для прямого впрыска топлива в указанную камеру сгорания, и свечу зажигания, отличающийся тем, что указанный клапан инжекции топлива выполнен таким образом, что может быть произведен впрыск топлива в камеру сгорания в такте сжатия в виде воздушно-топливной смеси, которая беднее, чем стехиометрическое отношение воздух/топливо, или в камере сгорания в такте впуска может быть образована воздушно-топливная смесь, эквивалентная стехиометрическому отношению воздух/топливо; указанная нижняя стенка головки цилиндра, образующая указанную верхнюю стенку камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши, которая образована указанной являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенкой, образованной на одной стороне, и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенкой, образованной на противоположной стороне, свеча зажигания расположена в зоне верхнего участка указанной, имеющей форму двускатной крыши, верхней стенки указанной камеры сгорания, при этом указанная верхняя стенка поршня, которая образует нижнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши, которая содержит являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку, а также являющуюся стороной выпускного клапана наклонную верхнюю стенку, которые имеют форму, соответствующую являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенке и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенке, причем являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка указанной верхней стенки поршня, имеет полостной участок, и клапан инжекции топлива выполнен так, что в том случае когда указанный поршень расположен в окрестности верхней мертвой точки, осуществляется прямой впрыск топлива внутрь указанного полостного участка.
25. Двигатель внутреннего сгорания с впрыском в цилиндр, который содержит камеру сгорания, имеющую верхнюю стенку и основание, ограниченную нижней стенкой головки цилиндра и верхней стенкой поршня, введенного в цилиндр; впускной клапан, установленный на одной стороне нижней стенки головки цилиндра указанной камеры сгорания; выпускной клапан, установленный на противоположной стороне нижней стенки головки цилиндра указанной камеры сгорания; впускной канал, который имеет сообщение с нижним концом указанной камеры сгорания через указанный впускной клапан, так что поданный воздух вводится внутрь указанной камеры сгорания; выпускной канал, который имеет сообщение с нижним концом указанной камеры сгорания через указанный выпускной клапан, так что производится выпуск отработанного газа из указанной камеры сгорания; клапан инжекции топлива, предназначенный для прямого впрыска топлива в указанную камеру сгорания, и свечу зажигания, отличающийся тем, что указанная нижняя стенка головки цилиндра, которая образует верхнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши и состоит из являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенки, образованной на стороне впускного клапана, и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенки, образованной на указанной противоположной стороне, свеча зажигания расположена в зоне верхнего участка указанной, имеющей форму двускатной крыши, верхней стенки указанной камеры сгорания, при этом указанная верхняя стенка поршня, которая образует нижнюю стенку указанной камеры сгорания, имеет форму двускатной крыши, которая содержит являющуюся стороной впускного клапана наклонную верхнюю стенку, а также являющуюся стороной выпускного клапана наклонную верхнюю стенку, которые имеет форму, соответствующую форме являющейся стороной впускного клапана наклонной нижней стенки и являющейся стороной выпускного клапана наклонной нижней стенки, причем являющаяся стороной впускного клапана наклонная верхняя стенка указанной верхней стенки поршня имеет полостной участок.