专利名称：内燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃发动机。
背景技术：
为了改进燃料经济性和减少排放，已经开发出了直接喷射式内燃发动机，其形成并燃烧燃料和进气的均质空气-燃料混合物。在这种直接喷射式内燃发动机中，喷射的燃料喷雾可能与进气门干涉，燃料可能附着至进气门。结果，未燃烧所需量的燃料，所以发动机输出可能降低。于是，描述了一种通过判定燃料喷射方向使得来自燃料喷射装置的燃料喷雾的中心轴线与在内燃发动机的两个进气门之间通过的竖直平面相符来避免燃料附着至进气门的技术(例如，见日本专利申请公告No. 2004-218603 (JP 2004-218603A))。JP2004-218603A进一步描述了，在该技术中，进一步使在进气行程中生成的翻转流(竖直涡流)与燃料喷雾碰撞，由此便利燃料喷雾的雾化。借此，获得气缸内的空气-燃料混合物的均质化。此外，当在直接喷射式内燃发动机中适当地生成翻转流时，可以进一步便利空气-燃料混合物的均质化。于是，公开有一种用于即使当流入气缸的进气方向变化时也能使充足的翻转流与燃料喷雾同步的技术(例如，见日本专利申请公告No. 2008-255833 (JP2008-255833A))。在此技术中，从燃料喷射装置喷射的燃料的方向被构造为是可变的，并且所喷射的燃料的方向沿流入气缸的进气的方向调整。在直接喷射式内燃发动机中，迄今已经在利用翻转流以使空气-燃料混合物均质化。然而，当燃料喷雾从燃料喷射装置沿与气缸中生成的翻转流碰撞的方向喷射时，燃料的燃烧正时在翻转流被减弱并且燃料不在气缸中均质地扩散而是不均匀地分布的状态下到来。结果，改进燃料经济性以及通过空气-燃料混合物的均质化降低排放难以进行。此外，燃料喷射装置一般安装在直接喷射式内燃发动机中的进气口侧；然而，在此情况下，喷射的燃料喷雾可能与进气门干涉。当燃料附着至进气门时，未将所需量的燃料供给至气缸内，故而可能发生发动机输出的降低、由燃料的汽化热导致的冷却效果降低、排放劣化等等。
发明内容
本发明提供一种直接喷射式内燃发动机，其适当地利用翻转流以在气缸内形成进一步均质的空气-燃料混合物。在本发明的一个方面中，从燃料喷射装置喷射的燃料喷雾的方向被设定为使得燃料喷雾相对于在气缸内生成的翻转流的涡流中心以预定比率到达上侧上的位置。通过采用这种构造，可以避免喷射的燃料与翻转流的碰撞，并且喷射的燃料与翻转流被有效地同步化，由此使得有可能在不减弱翻转流的情况下使空气-燃料混合物均质化。更具体地，本发明的一个方面涉及一种内燃发动机。所述内燃发动机包括燃料喷射装置，所述燃料喷射装置设置在进气门附近并且将燃料直接喷射至气缸内；和翻转流生成机构，所述翻转流生成机构打开或者关闭所述进气门以便在所述气缸内沿纵向方向生成翻转流。另外，对于在所述内燃发动机中在进气行程的预定正时由所述翻转流生成机构在所述气缸内生成的所述翻转流而言，通过将所述翻转流的假定涡流中心连接至所述燃料喷射装置的喷射口形成的假想涡流中心线与沿所述气缸的径向方向延伸的基准平面之间形成的角度定义为涡流中心角，并且从所述燃料喷射装置喷射的燃料喷雾的在所述气缸的纵向方向上的展布的中心线与所述基准平面之间形成的角度定义为喷射角。于是，所述燃料喷射装置在所述气缸内相对于所述基准平面向下喷射燃料，并且所述喷射角与所述涡流中心角的比率设定为小于或等于O. 7。根据本发明的所述方面的内燃发动机是将燃料从燃料喷射装置直接喷入气缸的直接喷射式内燃发动机。这样，该内燃发动机包括翻转流生成机构。因此，有可能在进气行程中的预定正时在气缸内生成翻转流。使用翻转流生成机构生成翻转流可以采用各种已知的生成技术，而且已知例如设想出了连接至气缸的进气口的形状或者调整进入气缸的进气流，由此使得有可能生成翻转流。此处，在气缸内生成的翻转流沿排气门侧气缸内壁下降，并且经由活塞的顶部沿进气门侧气缸内壁上升，从而形成所谓的纵向涡流。来自燃料喷射装置的燃料喷雾与翻转流同步化以便在气缸内有效地扩散燃料，借此形成均质的空气-燃料混合物。然而，在燃料沿逆翻转流方向的方向喷射时，翻转流的流动速率被减弱并且气·缸内的均质的空气-燃料混合物的形成被削弱，故而担忧燃料经济性的劣化以及排放的劣化。这样，在根据本发明所述方面的内燃发动机中，当涡流中心角和喷射角如上所述地定义时，将喷射角比率即喷射角与涡流中心角的比率设定为低于或等于O. 7。涡流中心角被定义为假想涡流中心线与基准平面之间形成的角。假想涡流中心线通过将在气缸内由翻转流生成机构生成的翻转流的假定涡流中心连接至燃料喷射装置的喷射口而形成。基准平面沿气缸的径向方向延伸。实际上，在气缸内生成的翻转流包括湍流，湍流并非完全的纵向涡流，并且湍流根据气缸和活塞顶部的形状、流入气缸的进气的流动速率和方向之类而呈规则的或不规则的。考虑到这一点，本发明的该方面中的翻转流的假定涡流中心是如下位置该位置被识别为当涡流可以由本领域普通技术人员使用已知技术获得时气缸内的翻转流的涡流中心。这样，涡流中心的识别可以是本领域普通技术人员的视觉识别，或者当使用计算装置例如计算机计算涡流时，涡流中心的识别可以考虑关于计算的涡流的参数(位置和流动速率之间的相关性之类)进行。具体地，基于使用计算机之类的计算流体动力学(CFD )的计算方法或者其他现有可视化技术可以用于视觉地或者数字地获得气缸内的翻转流，并且可以将所获得的涡流的中心设定为翻转流的假定涡流中心。因此，翻转流的假定涡流中心不必局限于严格意义上的唯一涡流中心，而是包括由本领域普通技术人员根据现有技术合理地计算的润流中心。另一方面，喷射角被定义为来自燃料喷射装置的燃料喷雾的中心线与基准平面之间形成的角度。这样，喷射角比率即喷射角与涡流中心角的比率意味着在O到I的范围内，随着该值接近1，燃料喷雾靠近翻转流的涡流中心。然而，一般而言，燃料喷雾沿其纵向方向(气缸的轴向方向)具有一定厚度，并且，例如，当从燃料喷射装置喷射的燃料喷雾具有逐渐变宽的扇形形状时，燃料喷雾具有相对较大的厚度。因此，燃料喷雾的下侧相对于其中心轴线接近翻转流的涡流中心，并且在某些情况下，燃料喷雾进一步向下定位超过假想涡流中心线，该假想涡流中心线穿过气缸内的涡流中心。另一方面，翻转流的方向在假想涡流中心线的上侧和下侧之间颠倒，所以，如果燃料喷雾的下侧如上所述相对于假想涡流中心线位于下方，则燃料喷雾的一部分逆着翻转流喷射，由此减弱翻转流。结果，削弱了均质的空气-燃料混合物的形成。此外，即使当燃料喷雾不超过假想涡流中心线时，但是当燃料喷雾恰存在于翻转流的涡流中心附近时，涡流中心附近的翻转流的流动速率低于外围部分的翻转流的流动速率，所以难以有效地使燃料喷雾与翻转流同步化。这样，在根据本发明的该方面的内燃发动机中，从燃料喷射装置喷射的燃料相对于基准平面向下喷射，即邻近翻转流的涡流中心，并且将喷射角比率设定为低于或者等于O. 7。通过将喷射角比率设定为低于或等于O. 7，有可能使整个燃料、包括燃料喷雾的下侧部分同步化，所以可以避免翻转流的减弱。结果，例如，可以抑制发动机输出的降低。注意，当喷射角比率被极大地减小时，附着至气缸内壁的燃料喷雾量可以根据气缸的尺寸、燃料的喷射压力之类而增大。因此，燃料喷射装置的喷射方向期望地被设定为使得喷射角比率接近于O. 7。就在气缸内形成均质的空气-燃料混合物而言，期望地在内燃发动机的进气行程中的进气下止点附近的正时喷射燃料，借此生成相对较大的翻转流，并且在燃料喷雾与翻·转流同步化后，通过在压缩行程中的翻转流的湍流能够便利燃料与进气的混合。因此，上述内燃发动机中的预定正时可以是在内燃发动机的进气行程的进气下止点附近的正时。借此，燃料喷射装置的喷射方向被期望地设定为使得在进气下止点附近的正时处喷射角比率低于或等于O. 7。此外，在内燃发动机的进气行程的进气下止点附近的正时可以是上止点前(BTDC) 220。至 180。的正时。此外，从燃料喷射装置喷射的燃料喷雾可以是以扇形形状展开的喷雾。在燃料喷雾具有扇形形状的情况下，当在进气门被打开至完全提升的状态下从燃料喷射装置喷射的燃料喷雾与进气门干涉时，喷雾干涉率低于或等于O. 7，喷雾干涉率被定义为当燃料喷雾与进气门存在干涉时燃料喷雾与进气门相干涉的干涉喷雾宽度与在燃料喷雾与进气门之间不存在干涉的情况下的燃料喷雾的喷雾宽度的比率。当喷射角比率被设定为低于或者等于O. 7时，位于燃料喷射装置附近的进气门可能与燃料喷雾干涉。当燃料由于干涉附着至进气门或者进气门附近时，担忧发动机输出的降低、排放的劣化之类。这样，通过如上所述地将喷射角比率设定为低于或者等于O. 7、并且进一步地将喷射干涉率设定为低于或等于O. 7，有可能同时实现形成均质的空气-燃料混合物以及避免燃料附着至进气门之类。只要上述内燃发动机是直接喷射式内燃发动机，则其可以是火花点火式内燃发动机或者压缩点火式内燃发动机。例如，在火花点火式内燃发动机的情况下，从燃料喷射装置喷射的燃料喷雾只需在气缸内均质化并且用火花塞点火以燃烧。替代性地，在压缩点火式内燃发动机的情况下，初步的空气-燃料混合物只需在气缸内均质地形成，然后利用压缩上止点附近喷射的燃料作为引火炭而燃烧。在任何内燃发动机中，为了在气缸内形成均质的空气-燃料混合物(初步的空气-燃料混合物)，期望地将喷射角比率设定为低于或等于O. 7，如上所述。根据上述方面，有可能提供直接喷射式内燃发动机，其适当地利用翻转流在气缸内形成进一步均质的空气-燃料混合物。
下文将参照附图描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术及工业意义，附图中相同的附图标记指代相同的元件，附图中图I的视图示出了根据本发明实施方式的内燃发动机的示意性构造；图2的视图示出了图I所示内燃发动机的气缸内的燃料喷雾状态；
图3的图表示出了图I所示内燃发动机中的排气中的一氧化碳浓度与喷射角比率之间的相关性；图4A的视图示出了图I所示内燃发动机的气缸内的燃料喷雾的扩散状况；图4B的视图示出了现有内燃发动机的气缸内的燃料喷雾的扩散状况；图5的图表示出了图I所示内燃发动机中的行程/缸径比与涡流中心角之间的相关性以及行程/缸径比与喷射角之间的相关性；图6的图表示出了图I所示内燃发动机中的喷射起始正时与排气中所含的PM颗粒的数量之间的相关性；图7A和图7B的视图不出了图I所不内燃发动机中的燃料喷雾与进气门之间的干涉状态；和图8A和图8B的图表不出了，在气缸的容积效率的提闻空间以及内燃发动机的扭矩的提高空间方面，图I所示内燃发动机与现有的端口喷射式内燃发动机之间的比较。
具体实施例方式下文将参照附图描述本发明的具体实施方式
。除非另行指定，否则本实施方式中描述的部件的尺寸、材料、形状、相对布置之类无意于限制本发明的技术范围。[实施方式]将参照附图描述根据本发明实施方式的内燃发动机。图I的纵向截面图示出了根据本发明的内燃发动机，特别是燃料喷射装置附近的一部分，的示意性构造。内燃发动机I是用于驱动车辆的直接喷射火花点火式内燃发动机。在内燃发动机I中，进气口 2和排气口 3连接至气缸8。进气口 2通过打开和关闭进气门4而将进气给送至气缸8。排气口 3通过打开和关闭排气门5而将燃烧气体之类作为排气排出至内燃发动机I的排气系统。注意，图I所示截面图仅图示了进气门4和排气门5各者中的一个；然而实际上，相互平行地设置有两个进气门4和两个排气门5。此外，气缸8中设置有活塞10。在气缸8的顶部设置有火花塞6，火花塞6面对活塞10，从而能够点燃气缸8中的空气-燃料混合物。此外，在内燃发动机I中，在进气口 2下方在两个进气门4之间的附近位置处(即，设置有进气口 2的缸盖中的邻近缸体的位置处)设置有燃料喷射装置7。这样，燃料喷射装置7的喷射方向粗略地设定为在气缸8内斜向向下。注意，燃料喷射方向的细节将稍后描述。另外，从燃料喷射装置7喷射的燃料喷雾7a具有如图7B中所示的逐渐变宽的扇形形状(稍后描述)，并且如图I中所示沿其竖直方向还具有一定厚度，等等。燃料喷雾7a的厚度朝向燃料喷雾7a的远端增大。此外，内燃发动机I的各个进气口 2中形成有翻转流生成机构，并且该翻转流生成机构由分隔壁Ila和关闭阀Ilb形成。每个翻转流生成机构均生成翻转流9，该翻转流9是借助于在进气行程中引入气缸8的进气生成的沿气缸8的邻近排气口 3的内壁下降并且沿气缸8的邻近进气口 2即燃料喷射装置7的内壁上升的竖直涡流。每个分隔壁Ila均在进气门4附近沿进气口 2的延伸方向上下地分割进气口 2，关闭阀IIb设置在所分割出的进气口部的下进气口部中。关闭阀Ilb能够根据来自诸如ECU (未示出)的控制单元的指令阻塞或减弱下进气口部中的流动。当下进气口部中的进气的流动由关闭阀Ilb以此方式减弱或者阻塞时，经由未设置有关闭阀Ilb的上进气口部供给入气缸8的进气的流动速率增大。结果，进气沿进气口 2的上壁供给入气缸8，所以能够在气缸8中生成有效的翻转流9。注意，当需要大量进气时，例如需要内燃发动机I的更大发动机输出的情况，需要借助于打开关闭阀Ilb以便将进气经由上进气口部和下进气口部两者供给入气缸8来消除进气不足。通过以此方式在气缸8内生成翻转流9，可以使从燃料喷射装置7喷射的燃料喷雾7a与进气有效地混合以形成均质空气-燃料混合物。为了便利空气-燃料混合物的形成，不期望气缸8内的翻转流9被减弱。这样，为了减少在翻转流9沿活塞10的顶面前进时的通道阻力，在活塞10的顶部处形成有空腔，所述空腔具有以沿着翻转流的周向方向的圆弧形状形成的圆弧形底壁，如图I所示。如上所述，由于为内燃发动机I设置有两个进气门4，
所以经由这两个进气门4在气缸8内相互平行地生成的两个翻转流9在气缸8内相互合流并且形成涡流。使空腔的宽度充分增大以抑制此时的减弱。此处，当利用翻转流9形成均质空气-燃料混合物时，不期望翻转流9被从燃料喷射装置7喷射的燃料喷雾7a减弱。如图I所示，翻转流9在气缸8内沿着邻近排气门5的气缸内壁向下流动，并且沿着邻近进气门4的气缸内壁向上流动。因此，在气缸8内广泛地形成燃料喷雾7a和进气的均质空气-燃料混合物。如果翻转流9的流动例如被燃料喷雾7a减弱，则空气-燃料混合物在气缸8内不均匀地分布，无法形成均质扩散状态，故而担忧燃料经济性的劣化以及排放的劣化。这样，在根据本发明实施方式的内燃发动机I中，考虑燃料喷雾7a和气缸8内形成的翻转流9之间的相关性而确定燃料喷射装置7的燃料喷射方向。将参照图2的纵向截面图描述燃料喷射装置7的燃料喷射方向的细节。图2与图I 一样是内燃发动机I的纵向截面图，而且该视图特别示意性地示出了来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a与气缸8内生成的翻转流9之间的相关性。首先，在图2中，沿气缸8的径向方向延伸穿过燃料喷射装置7的喷射口的平面由基准平面LO指示。当竖直地设置气缸8时，基准平面LO变为水平平面；而当在内燃发动机I内斜向布置气缸8时，基准平面LO变为沿垂直于气缸8的轴向方向的方向延伸的平面。随后，关于气缸8内形成的翻转流9，翻转流9的假定涡流中心由Pl指代，并且将燃料喷射装置7的喷射口连接至涡流中心Pl的线被定义为假想涡流中心线LI。“假定涡流中心”在此还包括在气缸8内实际生成的翻转流9的涡流中心，并且还包括预先利用计算机之类基于计算流体动力学(CFD)计算并假定的涡流中心、以及利用其他现有可视化技术为气缸8内生成的翻转流9所假定的涡流中心。即，本实施方式中的“假定涡流中心”的意思是在可以由本领域普通技术人员在考虑到气缸8内生成的翻转流9的严格涡流中心并非恒定地稳定的情况下假定的范围内的翻转流9的涡流中心。此外，关于由“假定涡流中心”所意指的翻转流9，在进气行程中进气门4打开并且活塞10下降，由此在气缸8内生成翻转流9 ;然而，考虑到进气与来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a的混合，在进气行程中的进气下止点附近的预定正时在气缸8内生成的翻转流9理想地设定为进一步有助于混合的翻转流9。例如，将内燃发动机I内的上止点前220°至180° (220° BTDC至180° BTDC)曲轴转角处在气缸8内生成的翻转流9的假定涡流中心指示为点P1。随后，如上所述，来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a具有逐渐变宽的扇形形状。这样，如图2所示，将穿过燃料喷雾7a的沿厚度方向(竖直方向)的中心的中心轴线定义为喷雾中心线L2。这样，当燃料喷雾7a沿其厚度方向具有喷雾角C时，喷雾中心线L2等分喷雾角C。当以此方式设定基准平面L0、假想涡流中心线LI和喷雾中心线L2时，在本实施方式的内燃发动机I中，喷射角V与涡流中心角Vl的比率，S卩，由V/V1表示的比率(下文称为“喷射角比率”)被设定为大致低于或等于O. 7。喷射角度V是基准平面LO和喷雾中心线L2之间形成的角。涡流中心角Vl是基准平面LO与假想涡流中心LI之间形成的角。在此，再一次地，翻转流9示意性地为如下的进气涡流其在气缸8内沿着邻近排气门5的气缸内壁向下流动、沿着活塞10的顶部流动、然后沿着邻近进气门4的气缸内壁向上流动。如果燃料从燃料喷射装置7相对于翻转流9的涡流中心Pl向下喷射，则燃料逆着翻转流9喷射，所以燃料喷雾7a削弱翻转流9的流动。结果,翻转流9被减弱。当翻转流9被减弱时,翻转流9的搅拌作用在压缩行程的最后阶段减小，所以气缸8内的空气-燃料混合物的均质·化减小，并且空气-燃料混合物的不均匀分布相当显著。此外，即使燃料从燃料喷射装置7相对于翻转流9的涡流中心Pl向上喷射，并且当由于燃料喷雾7a具有一定厚度而使燃料喷雾7a的下侧逆着翻转流9喷射时，也会发生局部地翻转流9的减弱，并且空气-燃料混合物的理想均质化会困难。因此，为了从燃料喷射装置7喷射燃料，就均质的空气-燃料混合物的形成而言，期望燃料以一定比率从燃料喷射装置7相对于翻转流9的涡流中心Pl向上喷射。借此，燃料喷雾7a与气缸8内的翻转流9同步化，从而将翻转流9叠加至燃料喷雾7a的流动上，由此使得能够更加有效地均质化空气-燃料混合物。这样，本发明人通过在包括具有I. O的行程/缸径比(行程/缸径)的气缸的内燃发动机内改变涡流中心角Vl与喷射角V之间的相关性得出了涡流中心角Vl和喷射角V两者与空气-燃料混合物的均质化之间的关联性。一般地讲，当内燃发动机以气缸8内的空燃比为化学计量的状态运行时，排气中的一氧化碳浓度被认为是指示空气-燃料混合物的均质化的指标。这样，如图3所示，当在具有I. O的行程/缸径比(行程/缸径)的气缸的内燃发动机内将空燃比设定为化学计量空燃比的状态下，测量了喷射角比率(=V/VI)与排气中的一氧化碳(CO)浓度之间的相关度。这样，本发明人发现排气中的一氧化碳浓度随着喷射角比率的减小而减小的趋势，并且当喷射角比率低于或等于O. 7时，排气中的一氧化碳浓度几乎恒定。为此，将燃料喷射装置7的燃料喷射方向理想地设定为使得喷射角比率大致低于或等于O. 7。图4A示出了在将喷射角比率设定为O. 7的情况下使用计算流体动力学(CFD)得出的燃料喷雾7a在气缸8内的流动。图4B示出了在将喷射角比率大致设定为I的情况下使用计算流体动力学得出的燃料喷雾7a在气缸8内的流动。如由这些附图所理解的，当喷射角比率大并且约为I时，燃料喷雾7a倾向于在气缸8内淤积，而当喷射角比率被设定为O. 7时，来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a在气缸8内均质地扩散。注意，当喷射角比率被极大地减小时，来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a非常有可能附着于气缸8的内壁表面。因此，考虑到当喷射角比率大致低于或等于O. 7时空气-燃料混合物的均质化中不存在大的差异的倾向，故而理想地使喷射角比率在大致低于或等于
O.7的范围内不过度减小。借此，能够抑制燃料附着至气缸8的内壁表面。此处，当气缸8的行程/缸径比增大时，涡流中心Pl的位置相对于燃料喷射装置7的喷射口向下推移，使得涡流中心角Vl增大。这样，如图5所示，就空气-燃料混合物的均质化而言，理想地将喷射角V设定为当气缸8的行程/缸径比增大时而增大，并且理想地将喷射角比率设定为低于或等于O. 7，无论行程/缸径比如何。如上所述，本发明人发现当在直接喷射式内燃发动机I中燃料喷射装置7的喷射角比率被设定为低于或等于O. 7时，在气缸8内形成均质的空气-燃料混合物。然而，根据如图I所示的内燃发动机I的结构，燃料喷射装置7设置在进气口 2下方。当燃料喷雾7a与从每个进气口 2进入气缸8的进气同步化时，这是极为有效的布置；然而，为此，进气门4存在于燃料喷射装置7的喷射方向上。特别是，当进气门4完全提升时，进气门4倾向于与
燃料喷雾7a干涉，所以燃料可能附着于进气门4或者缸盖。燃料的这种附着减小了进行燃烧的燃料量，所以不仅期望的发动机输出无法实现，并且还如图6所示由于脱离正时控制的燃烧导致烟气的产生、排气中的PM (颗粒物)颗粒的数量增加之类。结果，难以由燃料喷射装置7执行理想燃料喷射。图6是示出了从燃料喷射装置7喷射燃料的正时与排气中PM颗粒的数量之间的相关性的图表，其中L3线指示在进气门4与燃料喷雾7a之间存在干涉的情况下的相关性，L4线指示不存在这种干涉的情况下的相关性。以此方式，当存在所述干涉时，排气中的PM颗粒的数量在从燃料喷射装置7喷射燃料的正时的很宽的范围上都是增大的，故而难以确定理想的燃料喷射正时。此外，在直接喷射式内燃发动机I中，燃料被直接喷射至气缸8内以利用燃料的汽化热而冷却气缸8，从而改进来自进气口 2的进气的容积效率(ην)，由此使得有可能例如提高节气门全开(WOT)性能。然而，当燃料喷雾7a如上所述与进气门4干涉时，在气缸8内蒸发的燃料量减少，故而无法实现气缸8内的充分冷却，因此难以提高进气的容积效率(nv)0当如上所述就空气-燃料混合物的均质化而言将喷射角比率设定为低于或等于O. 7时，简言之，当燃料喷射装置7的喷射方向被设定于相对上侧时，由此自然地，如图7A中所示，在气缸8的纵向截面中位于燃料喷射装置7的前方处的进气门4容易与燃料喷雾7a干涉。这样，在根据本实施方式的内燃发动机I中，通过将来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a与进气门4之间的喷雾干涉率设定为低于或等于预定值，有可能实现空气-燃料混合物的均质化，以及抑制由燃料喷雾干涉造成的进气容积效率的减小。具体地，如图7B中所示，喷雾干涉率根据如下数学表达式(I)来计算喷雾干涉率=(a-b)/a (I)变量a是在进气门4与燃料喷雾7a之间不存在干涉的情况下的燃料喷雾7a的展宽。变量b是在进气门4与燃料喷雾7a之间存在干涉的情况下的燃料喷雾7a的展宽。注意，如图7B所示，燃料喷雾7a的展宽指示燃料喷雾7a的在燃料喷雾7a被认为在一对进气门4的相对于燃料喷射装置7的相反侧上保持扇形形状展布的位置处的宽度，并且上述展宽a和b每一个均为燃料喷雾7在同一位置处的宽度。当以此方式设定喷雾干涉率时，随着喷雾干涉率增大，来自燃料喷射装置7的燃料喷雾7a与进气门4干涉并且例如附着的百分比增大。这样，在根据本实施方式的内燃发动机I中，通过将喷雾干涉率设定为低于或等于O. 7，发现能够实现空气-燃料混合物的均质化以及内燃发动机I的容积效率和发动机输出的改进两者。图8A示出了现有进气口喷射内燃发动机的容积效率的提高空间(由图表中的L5线指示)以及根据本实施方式的内燃发动机I的容积效率的提高空间(由图表中的L6线指示)。此外，图8B示出了现有进气口喷射内燃发动机的扭矩的提高空间(由图表中的L7线指示)以及根据本实施方式的内燃发动机I的扭矩的提闻空间(由图表中的L8线指不)。如上所述，在根据本实施方式的内燃发动机I中，将喷射角比率设定为低于或等于O. 7，由此改进气缸8内的空气-燃料混合物的均质化，并且将喷雾干涉率设定为低于或等于O. 7，由此抑制进气门4与燃料喷雾7a之 间的干涉。结果，如图8A和图SB中所示，就发动机转速的几乎整个范围上的容积效率的提高空间以及扭矩的提高空间而言，内燃发动机I相对于现有进气口喷射内燃发动机能够具有优越性。[替代性实施方式]在本发明的上述实施方式中，在具有火花塞的直接喷射火花点火式内燃发动机中，喷射角比率被设定为低于或等于O. 7，由此改进空气-燃料混合物的均质化，此外，喷雾干涉率被设定为低于或等于预定值，由此改进气缸8内的进气的容积效率。此处，本发明的该方面也可以应用于直接喷射压缩点火式内燃发动机。一般而言，压缩点火式内燃发动机具有将燃料直接喷入气缸的燃料喷射装置，并且可以利用该燃料喷射装置将燃料从该燃料喷射装置喷射入气缸，以便在处于压缩行程的上止点附近时在燃料喷射之前的正时在气缸内形成初步的空气-燃料混合物。在这种情况下，可以应用本发明的上述方面，以便在气缸内形成翻转流，并且使燃料喷雾与翻转流适当地同步化。此外，可以应用本发明的上述方面以尽可能多地抑制进气门与燃料喷雾之间的干涉。
权利要求
1.一种内燃发动机(1)，其特征在于，所述内燃发动机(I)包括 燃料喷射装置(7)，所述燃料喷射装置(7)设置在进气门(4)附近并且将燃料直接喷射至气缸(8)内；和 翻转流生成机构(11a，11b)，所述翻转流生成机构(11a，Ilb)打开或者关闭所述进气门(4)以便在所述气缸(8)内沿纵向方向生成翻转流(9)，其中， 对于在所述内燃发动机(I)中在进气行程的预定正时由所述翻转流生成机构(11a，lib)在所述气缸(8)内生成的所述翻转流(9)而言，通过将所述翻转流(9)的假定涡流中心连接至所述燃料喷射装置(7)的喷射口形成的假想涡流中心线(LI)与沿所述气缸(8)的径向方向延伸的基准平面(LO)之间形成的角度定义为涡流中心角(VI)，并且从所述燃料喷射装置(7)喷射的燃料喷雾(7a)的在所述气缸(8)的纵向方向上的展布的中心线(L2)与所述基准平面(LO)之间形成的角度定义为喷射角(V)， 所述燃料喷射装置(7)在所述气缸(8)内相对于所述基准平面(LO)向下喷射燃料，并且 所述喷射角(V)与所述涡流中心角(Vl)的比率设定为小于或等于O. 7。
2.如权利要求I所述的内燃发动机(1)，其中，所述预定正时是所述内燃发动机(I)的进气行程中的进气下止点附近的正时。
3.如权利要求2所述的内燃发动机(1)，其中，所述内燃发动机(I)的进气行程中的所述进气下止点附近的正时是上止点前220°至180°处的正时。
4.如权利要求I至3中任一项所述的内燃发动机(1)，其中，从所述燃料喷射装置(7)喷射的燃料喷雾(7a)是以扇形形状展布开的喷雾。
5.如权利要求4所述的内燃发动机(I)，其中，当在所述进气门(4)被打开至完全提升的状态下从所述燃料喷射装置(7)喷射的所述燃料喷雾(7a)与所述进气门(4)干涉时，喷雾干涉率小于或等于O. 7，所述喷雾干涉率定义为当所述燃料喷雾(7a)与所述进气门(4)之间存在干涉时所述燃料喷雾(7a)与所述进气门(4)相干涉的干涉喷雾宽度与假定所述燃料喷雾(7a)与所述进气门(4)之间不存在干涉时所述燃料喷雾(7a)的喷雾宽度的比率。
6.如权利要求I至5中任一项所述的内燃发动机(1)，其中，所述内燃发动机(I)是火花点火式内燃发动机和压缩点火式内燃发动机中的任一种。
全文摘要
本发明涉及一种内燃发动机。对于在直接喷射式内燃发动机中在进气行程的预定正时在气缸(8)内生成的翻转流(9)而言，在由将翻转流的假定涡流中心(P1)连接至燃料喷射装置(7)的喷射口形成的假想涡流中心线(L1)与沿气缸的径向方向延伸的基准平面(L0)之间形成的角度被定义为涡流中心角(V1)，在从燃料喷射装置喷射的燃料喷雾(7a)的沿气缸的纵向方向的展布的中心线(L2)与基准平面之间形成的角度被定义为喷射角(V)。这样，燃料喷射装置在气缸内相对于基准平面向下喷射燃料，并且喷射角与涡流中心角的比率被设定为低于或等于0.7。
文档编号F02M61/16GK102877996SQ20121024508
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月13日 优先权日2011年7月14日
发明者村濑荣二 申请人:丰田自动车株式会社