内燃发动机的制作方法

专利名称：内燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及往复式内燃发动机，特别涉及几何压缩比为13.0以上的内燃发动机。
背景技术：
往复式内燃发动机领域中，公开了作为进气门及排气门的配气正时在活塞位于上止点 附近的时候设定进气门及排气门均打开的气门重叠期间的技术方案(例如日本专利公开公 报特开2006—283631号)。通过设定气门重叠期间，可以提高已燃气体的扫气性和进气 的充填效率。
此处，作为改善燃耗的方法，提出通过将几何压縮比设定为例如13.0以上以提高热效 率的方案。然而，若排气量相同则几何压缩比设定得越高，燃烧室的容积便越小，从而对 燃烧室内的进排气方向的气体的流动产生阻力。因此，几何压缩比设定得较高的发动机中， 当设置气门重叠期间时，有时会产生进气、排气不能对应于气门的升程地得到促进，以及 不能提高己燃气体的扫气性和进气的充填效率的情况。如为了改善上述问题而扩大燃烧室 的容积则几何压縮比会降低，因此，要求燃烧室形状既能够抑制燃烧室内的进排气方向的 气体的流动的阻力又能够提高几何压缩比。

发明内容
本发明的目的在于，在设定有气门重叠期间并且几何压缩比设定为13.0以上的内燃发 动机中，进一步切实地提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率。
为实现上述目的，本发明的内燃发动机，包括，气缸；在气缸内进行往复运动的活塞； 在与上述气缸及活塞之间形成燃烧室的气缸盖；安装在气缸盖上的火花塞；具有与设置在 上述气缸盖上的气门座密合的头部、从而密封燃烧室的进气门及排气门；该内燃发动机， 设定有进气门及排气门均打开的气门重叠期间，并且几何压缩比为13.0以上，其特征在于 当设由相互平行的多个假想截面截切燃烧室得到的燃烧室的各截面积为S1，其中，上述多 个假想截面与上述进气门及排气门中的至少一方的往复直线运动方向平行并且通过上述 至少一方的气门的头部，以及设在上述假想截面的上述燃烧室的外侧，上述头部与气门座之间形成的有效开口面积为S2时，在上述气门重叠期间的中间点，对于任意一个上述假 想截面，条件式S1》S2均成立。
当满足S1》S2的关系时，在上述燃烧室内可确保至少与流过上述进气门或排气门的 头部与上述气门座的间隙的气体的通过面积相同的通过面积。由此，可以降低在上述燃'烧 室内的气体的流动阻力。
另一方面， 一般认为在气门重叠期间的中间点，已燃气体的扫气性和进气的充填效率
的改善效果最高。为此，本发明中，通过至少在该中间点满足S1》S2的关系，从而在一
定程度地确保了为提高几何压缩比而需要的燃烧室形状的设计自由度的基础上，更加切实 地提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率。
此时，更为理想的是，上述条件式对于上述进气门及排气门两者成立。由此，可以更 加有效地提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率。
本发明中，较为理想的是，上述假想截面，与上述气门重叠期间中的气体的流动方向 大致正交。采用该技术方案，可以更加现实地确保与进排气体量相配的上述燃烧室内的气 体的通过面积。
作为在上述那样的方向上设置假想截面的具体方案，例如有以下的方案。 当上述进气门每一气缸设置两个时，使上述假想截面与两上述进气门的排列方向平 行。另外，当上述排气门每一气缸设置两个时，使上述假想截面与两上述排气门的排列方
向平行。
此外，当上述进气门和上述排气门在与曲轴的轴方向正交的方向上相离开设置时，使 上述假想截面与上述曲轴的轴方向平行。
本发明中，较为理想的是，上述活塞的上表面，具有从上述进气门侧及排气门侧越靠 近活塞的中央越向上方隆起的隆起部。采用该结构，可以提高几何压缩比，同时可以改善 火焰传播性。
另外，本发明中，较为理想的是，上述中间点，相对于活塞位于上止点的正时偏离， 更为理想的是，相对于上述活塞位于上止点的正时，向点火提前角侧偏离。采用该技术方 案，易于确保上述燃烧室内的气体的通过面积，另外，可提高已燃气体的扫气性及进气的 充填效率。
另外，本发明中的几何压縮比，更为理想的是，为14.0以上，或者为14.5以上。通
过提高几何压縮比，可以提高热效率。
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图1A是表示本发明一实施方式所涉及的内燃发动机的燃烧室附近的结构的图，图IB
是活塞的立体图。
图2是气门重叠期间的说明图。
图3是假想截面、燃烧室的截面积、有效开口面积的说明图。 图4是有效开口面积及假想截面的说明图。
图5是表示为了运算多个假想截面下的燃烧室的截面积及有效开口面积的关系，计算 机所执行的处理的例子的流程图。
图6A和图6B是表示多个假想截面下的燃烧室的截面积及有效开口面积的运算结果 的输出例的图。
具体实施例方式
图1A是表示本发明一实施方式所涉及的内燃发动机(internal combustion engine) A的燃烧室4附近的结构的图，图1B是活塞30的立体图。此处，发动机A被设想为四 冲程的直列多气缸汽油发动机，不过本发明也能适用于其他形式的往复式发动机 (reciprocating engine)。图中，Z表示活塞30的往复直线运动的方向，Y表示气缸排 列的方向(与未图示的曲轴方向相同)，X表示垂直于气缸排列方向的方向，ZYX相互正交。
发动机A具有气缸盖10。气缸盖IO具有每一气缸两个的进气口 ll及排气口 12。进 气口 11、排气口 12的各端部上设置有气门座lla、 12a。 -
各进气口 ll上设置有进气门1，各排气口 12上设置有排气门2，因此，进气门l及 排气门2也是每一气缸为两个。两个进气门1沿Y方向排列，另外，两个排气门2也沿Y 方向排列。进气门1与排气门2在X轴方向上相离开设置。
进气门l及排气门2分别具有，与气门座lla、 12a密合从而密封燃烧室的头部la、 2a，和从该头部la、 2a向上方延伸的气门杆部lb、 2b，基于设置在气缸盖10上的未图 示的配气机构的作用，进气门l及排气门2沿气门杆部lb、 2b的中心轴方向(箭头dl、 d2所示方向)进行往复直线运动，开闭进气口 11、排气口 12。
气缸盖10在形成燃烧室4的部位向Z方向凹陷，在该凹处的中央附近(燃烧室4的 大致中央)具有火花塞3。火花塞3对燃烧室4内的混合气体进行火花点火，从而开始其 燃烧。火花塞3位于进气门l与排气门2之间。'气缸盖10上还设置有向燃烧室4喷射燃料的喷油器5。本实施方式中，被设想为所谓 的直喷方式，不过本发明也能适用于进气口喷射方式的往复式发动机。
发动机A具有气缸体20。气缸体20的气缸21内设置有活塞30，活塞30随着燃烧 室4内的混合气体的燃烧在Z方向上进行往复直线运动。活塞30的往复直线运动转换为 未图示的曲轴的旋转运动。
活塞30的上表面31具有向Z方向隆起的隆起部32。通过设置隆起部32可以将发动 机A的几何压缩比设定得更高。本实施方式中，如上所述，气缸盖10中形成燃烧室4的 部位向Z方向凹陷，其中，位于燃烧室4的中央的部位，比进气门l侧和排气门2侧的部 位凹陷得更大。因此，对应于这样的气缸盖10的形状，隆起部32形成为从进气门l侧和 排气门2侧越靠近活塞30的中央越向上方隆起。通过如此形成隆起部32，可以提高发动 机A的几何压縮比，同时可以使燃烧室4的Z方向的厚度更加接近均等从而防止火焰传播 性的恶化。
活塞30的上表面31也具有凹部33。通过设置凹部33，能够促进活塞30的运动方 向亦即Z方向上的火焰传播，也就是说，能促进从火花塞3向下方的火焰传播，提高发动 机的热效率。本实施方式中，凹部33设置在火花塞3的下方。基于这样的活塞30的上表 面31的形状，能够进一步提高火焰的传播性，提高发动机A的热效率。本实施方式中， 凹部33呈碗形，不过凹部33的形状并不受限制。
本实施方式中，将几何压缩比设定为13.0以上。通过将几何压縮比设定得较高，能 够提高热效率，改善燃耗。此处，所谓的几何压缩比，如众知，若设活塞30位于上止点 时的燃烧室的容积为V1、设排气量(行程容积)为VO，则其以(V0+V1) /Vl来表示。 容积V1为所谓的压缩容积，是当活塞30位于上止点时，以面对燃烧室4的气缸盖10的 内壁、安装在气缸盖10上的部件(进气门1以及排气门2 (气门关闭时)、火花塞3、喷 油器5)'的表面、气缸体20的气缸21内壁、以及活塞30的上表面所划定的燃烧室4的 容积。
接下来，对进气门l、排气门2的气门正时进行说明。本实施方式中，设定有在活塞 30位于上止点附近时进气门1、排气门2均打开的气门重叠期间。另夕卜，也可对进气门1 或排气门2或对两者设置可变气门正时装置，从而使气门正时为可变。
图2是气门重叠期间的说明图。期间T是气门重叠期间。图中，上止点是指活塞30 位于上止点的曲轴转角的相位。Tc表示以曲轴转角的相位观察时气门重叠期间T的中间点。本实施方式中，中间点Tc相对于活塞30的上止点的相位偏离，特别向点火提前角侧 偏离。
设定气门重叠期间T的目的主要是为提高己燃气体的扫气性及进气的充填效率。艮卩， 在气门重叠期间T，燃烧室4内的已燃气体随着排气的脈动从排气口 12被吸出，并且新 鲜气体从进气门11被吸入燃烧室4内，从而在图1的箭头d3所示方向(从进气门1侧向 排气门2侧的方向)上产生气流，由此，燃烧室4内的已燃气体被排出，与新鲜气体实:E见 替换。因此，为了提高这样的已燃气体的扫气性等，希望能够促进上述箭头d3方向的流 动。
然而，如将几何压缩比相对地设定得较高，则燃烧室4的容积便相对减小，燃烧室4 内的气体的流动性恶化。特别是，如本实施方式那样在活塞30的上表面31处设置隆起部 32的情况下，箭头d3方向的气体的流动性有时会恶化。因此，可能会发生即使设定了气 门重叠期间T，也不能提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率的情况。此时，如果没有 作为气体的流动性的评价基准，那么，为了兼顾几何压缩比的提高和已燃气体的扫气性及 进气的充填效率的提高而设计发动机A时，就必须通过反复试验来设计燃烧室4的形状、 特别是活塞30的上表面31的形状，因此，设计效率极低。
为此，本实施方式中，当设由相互平行的多个假想截面IPi截切燃烧室4而得到的'燃 烧室4的各截面积为Sil，其中，上述多个假想截面IPi与进气门l的往复直线运动方向 dl平行且通过进气门l的头部la，并且，设在假想截面IPi的燃烧室4的外侧，头部la 与气门座lla之间形成的有效开口面积为Si2时，在气门重叠期间T的中间点Tc，对于 任意一个假想截面IPi,条件式-Sil》Si2均成立。
排气侧也一样，当设由相互平行的多个假想截面IPe截切燃烧室4而得到的燃烧室4 的各截面积为Sel，其中，上述多个假想截面IPe与排气门2的往复直线运动方向d2平 行且通过排气门2的头部2a，并且，设在假想截面IPe的燃烧室4的外侧，头部2a与气 门座12a之间形成的有效开口面积为Se2时，在气门重叠期间T的中间点Tc，对于任意 一个假想截面IPe，条件式Sel》Se2均成立。
上述条件，即使仅就进气门l及排气门2中任意一方成立时，也有望提高已燃气体的 扫气性及进气的充填效率，但如欲进一步加强该效果，则如本实施方式那样，就进排气门 1、 2双方均成立较为理想。另外，以下，在无区别地指示假想截面IPi和假想截面Ipe时， 将其称为假想截面IP，在无区别地指示截面积Sil和截面积Sel的情况下，将其称为截面积Sl，在无区别地指示有效开口面积Si2和有效开口面积Se2时，将其称为有效开口 面积S2。
图3是假想截面IP、截面积S1、有效开口面积S2的说明图。在该图中，气门v相 当于进气门1或排气门2。燃烧室空间4'表示气门重叠期间T的中间点Tc时的燃烧室4 的三维形状。所谓气门排列方向，是两个进气门l或两个排气门2的排列方向，它们与曲 轴的轴方向亦即上述Y方向一致。所谓气门往复直线运动方向，是气门v的轴方向亦即上 述dl或d2方向。另外，以假想截面IP为基准，将火花塞3相反侧的方向称为燃烧室外 侧(external side ofthe combustion chamber),将火花塞3侧的方向称为燃烧室内侧。
假想截面IP，是与气门的往复直线运动方向平行并且通过气门v的头部va的平面。 此外，本实施方式中，假想截面IP与气门排列方向(即，与未图示的曲轴的轴方向相同) 平行。
截面积Sl是由假想截面IP截切燃烧室空间4'时所得的截面的面积。有效开口面积 S2是所谓的帘面积(curtain area)中，在假想截面IP的燃烧室4的外侧，头部va与气 门座(图3中未图示)之间形成的开口面积。即如图4所示，有效开口面积S2，是在进 气门l及排气门2的头部la、 2a与气门座lla、 12a的间隙中两者相离开的幅度W最小 的地点处，由幅度W与气门座lla、 12a的内周长及头部la、 2a的外周长所划定的面积。 这些内周长及外周长是以与假想截面IP的交点为端点的燃烧室4的外侧部分的周长。
当如本实施方式那样，作为进气门l或排气门2分别设置两个气门v的情况下，如图 3所示，将一方的气门v的有效开口面积S2 — l与另一方的气门v的有效开口面积S2—2 的合计面积作为有效开口面积S2。 -
另外，当产生燃烧室4内的气体向图l的箭头d3方向流动时，气体通过图3中的有 效开口面积S2 — 1及S2 — 2所示的部分(头部va与气门座的间隙)，在燃烧室4与进气 口 11及排气口 12之间流通的气体便通过图3中的截面积Sl的部分。因此，当处于截面 积SK有效开口面积S2的关系下时，截面积S1的部分便收窄气流，对在燃烧室4内向 图l的箭头d3方向流动的气体产生阻力。
另一方面，当满足S1》S2的关系时，在燃烧室4内可确保与流过头部va与气门座的 间隙的气体的通过面积(S2>至少相同的通过面积(Sl)。由此，可以降低燃烧室4内的 气体流动阻力。另外，在图3中，仅图示了一个假想截面IP，但是，通过在相互平行的多 个假想截面IP中满足S1》S2的关系，可以在燃烧室4中在大范围内降低气体流动阻力。 多个假想截面IP,在与该假想截面IP正交的方向上，设定在头部va的直径上的任意位置，如在各假想截面IP中均满足S1》S2的关系，则可以在燃烧室4的整个范围内降低气体 流动阻力。
另外，本实施方式中，假想截面IP与气门排列方向(即，与未图示的曲轴的轴方向 相同)平行，假想截面IP与燃烧室4内的气体流动方向d3 (图l)大致正交，因此可以 更加现实地确保与进排气体量相配的燃烧室4内的气体的通过面积。
另外， 一般认为在气门重叠期间T的中间点Tc,已燃气体的扫气性和进气的充填效 率的改善效果最高。为此，通过至少在该中间点Tc满足Sl》S2的关系，从而在一定程度 地确保了为提高几何压缩比而需要的燃烧室形状的设计自由度的基础上，更加切实地提高 己燃气体的扫气性及进气的充填效率。
另外，本实施方式中，中间点Tc，相对于活塞30位于上止点的正时偏离，因此，易 于确保燃烧室4内的气体的通过面积，另外，可提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率。
几何压縮比为13.0以上时，在燃烧室4内容易产生气体的流动阻力，因此，上述条件 的成立，对在几何压縮比为13.0以上的发动机中提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率 有效，另外，如几何压縮比为14.0以上或14.5以上，则在燃烧室4内更容易产生气体的 流动阻力，因此，上述条件的成立，对在几何压縮比处于如此数值范围内的发动机中提高 已燃气体的扫气性及进气的充填效率特别有效。
接下来，对以假想截面IP、截面积S1、有效开口面积S2作为指标，在计算机上设计 发动机时的步骤的例子进行说明。图5是表示为了运算多个假想截面IP下的截面积S1及 有效开口面积S2的关系，计算机所执行的处理的例子的流程图。
在Ql中，读取规定燃烧室4的发动机构成部件的设计数据。各构成部件及燃烧室4 的形状例如由三维的固体模型来定义，固体模型的空间坐标为气门重叠期间T的中间点 Tc的坐标。
在Q2中，基于Q1中读取的设计数据设定假想截面IP的最初位置。在Q3中，对 Q2中设定的假想截面IP的位置，运算截面积S1、有效开口面积S2，在Q4中保存运算 结果。在Q5中，判定对于作为假想截面IP的位置而预先设定的多个位置是否均己执行了 Q3及Q4的处理，若是"是"的情况下进入Q7，若是"否"的情况下进入Q6。
在Q6中，变更假想截面IP的位置，返回Q3。反复执行Q3至Q6的处理，直到对 所有的位置均已执行Q3及Q4的处理。并且，对吸气侧及排气侧双方予以执行。
参照图4，对假想截面IP的位置的设定例子，特别是对坐标设定进行说明。首先，a各 进气门1、排气门2的中心轴线CL1、 CL2设为原点(=0)。并且在假想截面IP的正交方向上，以中心轴线CL1、 CL2的燃烧室的内侧作为+侧，外侧作为一侧，根据与中心轴 线CL1、 CL2的距离L定义假想截面IP的各位置。+1^的最大值及_1^的最大值为进气 门l及排气门2的各头部la、 2a的半径(图中的+MaX、 一MaX)。距离L设为在0 +MaX、 0 一MaX的范围内的多个值。
在图4中，模式化地表示在进气侧设定三处(L=0、 一kl、 +k2)、在排气侧设定 三处(L=0、 一k3、 +k4)的假想截面IP时的截面积S1及有效开口面积S2。有效开口 面积S2随着距离L越靠近一侧变得越小，越靠近+侧变得越大。截面积Sl也随着距离L 越靠近一侧变得越小，越靠近+侧变得越大。本实施方式中，由于活塞30的上表面31上 存在凹部33，因此随着靠近+侧，截面积S1便增大该凹部33的程度。
返回图5，在Q7中，将运算结果输出到显示器等装置。图6A和图6B分别表示进气 侧和排气侧的运算结果。各图标表示假想截面IP的位置。当然，总图标数就是假想截面 IP的数目(该图中进气侧为19个，排气侧为21个)。在图6A的例子中，在任意假想截 面IP的位置下，Sil均大于Si2。另外，在图6B的例子中，在任意假想截面IP的位置下， Sel也均大于Se2。因此，在提高己燃气体的扫气性等方面可获得良好的效果。
假如存在截面积Sl处于小于有效开口面积S2的位置，设计人员便会重新设计构成部 件。作为重新设计的构成部件的对象，可以是限定燃烧室4的任意构成部件，但从设计自 由度的角度出发，活塞30较为方便。此时，根据图6A及图6B的运算结果可以知道S1》S2 的关系不成立的部位，因此，例如可以在该部位更改活塞30的上表面31的形状，例如4吏 之凹陷以应对。凹陷后几何压縮比便降低，但通过在S1》S2的关系成立的其他位置使、活 塞30的上表面31等隆起的措施，可以避免几何压缩比降低。 -
通过在计算机上进行这样的处理，设计人员即使不重复进行制作试验品—实机试验— 重新设计这些步骤，也可以预想一定程度的气门重叠期间中的扫气性、进气充填效率，从、 而可进行高效率的设计。
权利要求
1. 一种内燃发动机，包括，气缸；在气缸内进行往复运动的活塞；在与所述气缸及活塞之间形成燃烧室的气缸盖；安装在气缸盖上的火花塞；具有与设置在所述气缸盖上的气门座密合的头部、从而密封燃烧室的进气门及排气门；该内燃发动机，设定有进气门及排气门均打开的气门重叠期间，并且几何压缩比为13.0以上，其特征在于当设由相互平行的多个假想截面截切燃烧室得到的燃烧室的各截面积为S1，其中，所述多个假想截面与所述进气门及排气门中的至少一方的往复直线运动方向平行并且通过所述至少一方的气门的头部，以及设在所述假想截面的所述燃烧室的外侧，所述头部与气门座之间形成的有效开口面积为S2时，在所述气门重叠期间的中间点，对于任意一个所述假想截面，条件式S1≥S2均成立。
2. 根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于所述条件式对于所述进气门及排气门两者成立。
3. 根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于所述假想截面，与所述气门重叠期间中的气体的流动方向大致正交。
4. 根据权利要求3所述的内燃发动机，其特征在于所述进气门每一气缸设置两个，所述假想截面与两所述进气门的排列方向平行。
5. 根据权利要求3所述的内燃发动机，其特征在于所述排气门每一气缸设置两个，所述假想截面与两所述排气门的排列方向平行。
6. 根据权利要求3所述的内燃发动机，其特征在于所述进气门和所述排气门在与曲轴的轴方向正交的方向上相离开设置，所述假想截面与所述曲轴的轴方向平行。
7. 根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其特征在于所述活塞的上表面，具有从所述进气门侧及排气门侧越靠近活塞的中央越向上方隆起的隆起部。
8. 根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其特征在于所述中间点，相对于活塞位于上止点的正时偏离。
9. 根据权利要求8所述的内燃发动机，其特征在于:所述中间点，相对于所述活塞位于上止点的正时，向点火提前角侧偏离。
10. 根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其特征在于几何压縮比为14.0以上。
11. 根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其特征在于几何压缩比为14.5以上。
全文摘要
本发明的内燃发动机(A)，设定有进气门(1)及排气门(2)均打开的气门重叠期间(T)，并且几何压缩比为13.0以上，当设由相互平行的多个假想截面截切燃烧室得到的燃烧室的各截面积为S1，其中，上述多个假想截面与上述进气门及排气门中的至少一方的往复直线运动方向平行并且通过上述至少一方的气门的头部，以及设在上述假想截面的上述燃烧室的外侧，上述头部与气门座之间形成的有效开口面积为S2时，在上述气门重叠期间的中间点，对于任意一个上述假想截面，条件式S1≥S2均成立。由此，可以切实地提高已燃气体的扫气性及进气的充填效率。
文档编号F02D13/02GK101482063SQ20091000344
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月4日 优先权日2008年1月8日
发明者养祖隆, 山川正尚, 藤川龙也, 西本敏朗 申请人:马自达汽车株式会社