平头直喷发动机的制作方法

专利名称：平头直喷发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机。更具体而言，本发明涉及一种平头直喷 发动机。
背景技术：
术语平头发动机涉及一种内燃机，其具有置于汽缸体内活塞旁边 的阀门，而不是像顶阀式发动机(overhead valve engine)那样具有 置于气缸盖内的阀门。这种设计在早期发动机设计中很普遍，不过已 经不再实用。
通常，平头在汽缸的一側使用一个小腔室来容纳阀门。这有许多 好处，最根本是使气缸盖更简单。这也意味着阀门可以通过直接在其 上推动来操作，而相反地不像"顶置气门"发动机那样需要一些种类 的机械布置来将它向下推动或驱动上凸轮。这也将导致稍微更简单的 冷却，因为阀门和阀门挺杆不挡着汽缸，使得冷却水套更容易构建。
平头发动机的优势在于其设计的简易性。与传统的汽门挺杆式 ("OHV")发动机相比有更少的运动部件。这不仅使它十分简单和相 对制造便宜，而且减少了维护成本。虽然有这些优点但平头发动机已 经停止制造，主要因为其较差的排放特性。在传统的理想配比的 (stoichiometric)火花点燃平头发动机中，燃油在发动机外与空气 预先混合。然后该空气-燃油混合物被引入发动机并在燃烧室内部燃 烧。典型地平头发动机有一个长燃烧室，在该燃烧室中火花塞被位于 一端。从火花塞引发的火焰有时在到达燃烧室另 一端之前就在低温的 壁处熄灭。这导致未燃尽的碳氢化合物("UHC")的排放。
直喷火花点燃发动机于90年代早期被开发并作为赫塞尔曼发动机(Hesselman engine)被人们所熟知。在早期对高压汽油喷射技术 的开发不足以处理汽油的低润滑性。随着在高压燃油喷射领域的重大 进步，直喷汽油发动机技术被重新提起。很多机动车制造商已经将由 直喷汽油发动机提供动力的产品车辆投放市场，其全部都是基于0HV 发动机设计。直喷汽油发动机的基本构思就是进气分层。取代了如传 统理想配比火花点燃汽油发动机中那样在发动机外将燃油和空气预混
合，汽油被直接注入燃烧室。汽油喷雾对准活塞顶部的槽，这使得燃 油喷雾朝向火花塞偏转，从而在火花塞附近形成高浓度空气-燃油混合
物的局部云雾。这就是所谓的进气分层。这种分层进气容易被火花塞 点燃。因此，虽然在火花塞附近的空气-燃油比率很高，但总体上空气 -燃油是稀薄的。从活塞盖顶端的燃油喷雾偏转会在活塞表面形成一燃 油薄膜。这被称作壁浸湿(wall wetting)并且由于更低的活塞温度 很难使该燃油薄膜及时蒸发以参与燃烧。这就是UHC排放的一个主要 原因。
需要的是一种具有平头发动机优点，并且不具有消极排放特性或 效率问题的发动机。

发明内容
本发明涉及一种直喷平头发动机。在本发明的一个方面，该平头 发动机包括一个内部燃烧汽缸体，该汽缸体包括至少一个与汽缸轴线 Ac大致垂直定位的燃油注射器。该发动机还包含至少一个定位在大致 邻近所述至少一个燃油注射器的排气阀，其中该排气阀与燃油注射器 位于活塞的同一侧。
一方面，燃油注射器大致垂直于汽缸轴线Ae定位，由此大部分的 燃油被喷到热排气阀的顶部上并朝向火花塞偏转，从而在火花塞周围 形成分层进气(stratified charge )。这就有助于使燃油薄膜的形成 最小化并极大促进了燃油的蒸发和更好的燃烧，从而减少UHC排放。 这也倾向于减轻在0HV直喷汽油发动机中存在的排放问题并仍享有在 更高燃油经济性下更好的发动机性能的优点。
在联系附图查看详细的说明书和公开文本时，本发明的这些以及 其他目的将是清楚明显的。


纳入且构成本说明书一部分的附图与说明书一起阐明了本发明的 特定方面，其用于解释本发明的原理，而非限制本发明的原理。用于 附图中的同样的附图标记在所有这些附图中都代表同样的部件。
图l是本发明燃油直喷平头发动机的横剖面图，示出了活塞、燃
油喷射器和火花塞的布置的一个方面；
图2是图1中平头发动机汽缸体的俯视图； 图3是图1中平头发动机汽缸盖的仰视图。
具体实施例方式
一…f说胡
图和它们在前及在后的描述可以更容易地理解本发明。
在本系统、产品、设备、和/或方法被公开以及描述之前，应该理
解本发明并不局限于特定系统、特定设备或特定方法，因为这些当然
都可以改变。还应理解的是本说明书中使用的术语只是为了描述特定
实施方案且不意在限制。
以下对本发明的表述以其现有最佳实施例的方式来提供作为本发
明的教导。为此目的，相关领域的技术人员将意识和认识到，可以对 本说明书中所述的发明的各种发明点进行许多改变，同时仍获得本发 明的有利结果。同样显而易见的是，本发明的一些期望的有益效果可 以通过在不利用其他特征的情况下选取本发明的一些特征来获得。因 此，本领域工作人员将意识到，对本发明的许多改变和调整是可能的， 甚至在特定环境中是被期望的，并且属于本发明的一部分。因此，以 下描述作为对本发明的原理的阐释给出而并不局限于此。
于说明书以及所附权利要求中使用的单数形式"一个(a)"、"一 个(an)"、"该(the)"包含复数个所指对象，除非上下文明确指出。 因此，例如，关于"一个燃油喷射器"其实包括两个或多个此种燃油 喷射器，诸如此类。
范围在本说明书中可以被表达成从"大约"一个特定值和/或到"大 约"另一个特定值。当此种范围被表示时，另一个实施例包含从一个特定值和/或到另一个特定值。相似的，当值通过使用在前的"大约" 被表示为近似值时，应该理解，该特定值形成另一个实施方案。还应 理解，在相关于另一终点的情况下和独立于另一终点的情况下，每个 范围的终点都很重要。还需理解，在本说明书中公开了很多值，并且 每个值除了该值本身还作为"大约"该特定值在本说明书中被公开。
例如，如果值"10"被公开，那么"大约10"也被公开。还应理解，
当一个值被公开，那么"小于或等于"该值，"大于或等于"该值以及
该值之间的可能范围也被公开。例如，如果值"10"被公开，那么"小 于或等于10"和"大于或等于10"也被公开。还应理解，在本申请中，
数据以许多不同的形式给出并且该数据代表终点和起点以及数据点任
意组合的范围。例如， 一个特定数据点"10"和一个特定数据点"15" 都被公开，应该理解大于、大于或等于、小于、小于或等于以及等于 10和15与在10和15之间一样也被认为是公开的。还应理解，在两 个特定单元常数之间的各单元常数也是公开的，例如，如果10和15 被公开，则11、 12、 13和14也被/>开。
"可选择的"或"可选择地，，意味着随后描述的事件或情况可能 发生或可能不发生，并且该描述包含了所述事件或情况发生以及不发 生的实例。
本发明涉及直喷平头发动机。在本发明的一个方面，该平头发动 才几包含一个内燃汽釭体100,该汽釭体有至少一个汽缸200，所述汽缸 限定一个内腔210。汽缸体100还限定了在汽缸体的第一侧上接近汽 缸200处的一个排气口 300以及一个进气口 400。该排气口 300具有 布置在其中的一个排气阀310,该进气口 400具有布置在其中的一个 进气阀410.
一方面，平头燃油直喷发动机也包含一个汽缸盖500，该汽缸盖 大致盖住汽缸体。另一方面，该发动机包含一个燃烧室600,该燃烧 室由汽缸盖500的一部分、汽缸体100以及排气和进气阀的顶面312 和412限定。在此方面，燃烧室的远端610与汽缸的内腔210的一部 分成流体连通。
另一方面，发动机也包含一个至少部分安置于汽缸盖中并与燃烧 室的一部分相连通的点火装置700。本领域技术人员可以认识到，该点火装置700可以是，例如但并不意在局限于， 一个传统的火花塞或 类似的火花产生装置。
另一个方面，发动机包含至少一个定位在燃油喷射器平面Pf的燃 油喷射器800，该燃油喷射器平面大致垂直于汽缸轴线A"所述至少 一个燃油喷射器800被设计为将燃油大致朝向点火装置喷入燃烧室。
"朝向"的意思是该燃油喷射器沿大致点火装置的方向喷入燃油，使 得至少 一部分燃油能紧邻火花。
本发明的一方面，该排气阀被设计为在闭合位置和打开位置之间 移动，其中当其位于闭合位置时，排气阀310的至少一部分顶面突出 到燃烧室600。对于进气阀410也是一样。另一方面，燃油喷射器平 面Pf将燃烧室分成上部和下部。在这方面，点火装置700被安置于燃 烧室600的上部620并且排气阀被安置于燃烧室的下部630。在实际 应用中，大量的燃油从热排气阀310上的燃油喷射器800喷出并向点 火装置700偏转，从而在点火装置附近形成分层进气。这有助于最小 化燃油薄膜的形成并极大地促进了燃油蒸发和更好的燃烧，因此减少 了 UHC排放。这也倾向于减轻在OHV直喷汽油发动机中存在的排放问
题并仍享有在更高燃油经济性下更好的发动机性能的优点。
图1中示出了平头发动机的横截面布置的一个方面。在这方面， 当活塞220向上止点("TDC")移动时，燃油被喷射进入燃烧室600。 如上所描述的，被定位在大致位于排气阀310上方的点火装置700在 燃油被喷射进入燃烧室后点火。
一方面，汽缸体IOO和汽缸盖500可以进行空气冷却。另一方面， 汽缸盖可以进行液体冷却。本领域技术人员将认识到，如果合适可以 使用任何传统冷却系统并且通常取决于发动机的尺寸和用途。
另一方面，可以使用锥形喷雾式单孔燃油喷射器800。在这方面， 高压燃油通过高压燃油泵被输送到喷射器进口 8,所述高压燃油泵直 接被发动机驱动。在另一方面，可以使用狭缝喷嘴喷射器代替锥形喷 雾喷射器。喷嘴平面与汽缸轴线大致平行。还有另一方面，可以使用 气助燃油喷射器。与燃油一起喷射的空气提高了发动机的充气效率 (volumetric efficiency )并且提高了燃烧室内的紊流，这导致更充 分的燃烧。还有另一方面，该燃油喷射器800可以被安置于排气阀上并直接 朝向进气阀。燃油喷射器也可以被安置于进气阀上方并直接朝向排气 阀。在这方面，点火装置700可以位于排气阀310或进气阀上方。本 领域技术人员可以认识到，可能存在多个点火装置。例如但并不意在 局限于此，可能在排气阀上方定位有一个点火装置700并且在进气阀 上方也安装一个。
尽管在上述说明书中已经公开了本发明的几种实施方案，但是本 领域的技术人员应该理解，本发明所属范围内可以想到本发明的许多 修改和其它实施方式，具有在前述说明书所示并结合附图的教导的有 益效果。因此应该理解，本发明并不局限于以上在说明书中公开的特 定实施方案，多种改型及其它实施方案也意于被包括在所附权利要求 范围内。
此外，尽管在说明书和以下权利要求中使用了专用术语，它们只 是以普通和描述的意义被使用，而并不是为了局限所描述的发明，也 不局限以下的权利要求。
权利要求
1.平头燃油直喷发动机，包括汽缸体，包含至少一个汽缸，所述汽缸限定一个内腔并具有纵向汽缸轴线，其中汽缸体在汽缸体第一侧上邻近所述至少一个汽缸处限定一个排气口和一个进气口；进气阀，其具有一个顶面并被布置在所述进气口中；排气阀，其具有一个顶面并被布置在所述排气口中；汽缸盖，其大致覆盖汽缸体；燃烧室，其由汽缸盖的一部分、汽缸体、进气阀顶面以及排气阀顶面限定，所述燃烧室具有一个近端和一个相对的远端，其中所述燃烧室的远端与汽缸内腔的一部流体连通；点火装置，其至少部分安置于汽缸盖中并且与燃烧室的一部分连通；以及燃油喷射器，其被定位在与汽缸轴线大致垂直的燃油喷射器平面内，其中所述燃油喷射器被设计为将燃油大致朝向点火装置喷射入燃烧室。
2. 权利要求1中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述排气阀被 设计为在关闭位置和打开位置之间移动，并且其中在关闭位置时，排 气阀顶面的至少一部分突出到燃烧室。
3. 权利要求2中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷射 器平面将燃烧室分成上部和下部；并且其中所述点火装置被定位在燃 烧室的上部，所述排气阀被定位在燃烧室的下部。
4. 权利要求3中所述的平头燃油直喷发动机，其中，在使用中， 至少一部分来自燃油喷射器的燃油在排气阀的顶面的一部分处偏转并 向上、朝向点火装置被导向。
5. 权利要求1中所述平头燃油直喷发动机，其中所述进气阀被设 计为在关闭位置和打开位置之间移动，并且其中在关闭位置时，进气 阀顶面的至少一部分突出到燃烧室。
6. 权利要求5中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷射 器平面将燃烧室分成上部和下部；并且其中所述点火装置被定位在燃 烧室的上部，所述进气阀被定位在燃烧室的下部。
7. 权利要求6中所述的平头燃油直喷发动机，其中，在使用中， 至少一部分来自燃油喷射器的燃油在进气阀的顶面的一部分处偏转并 向上、朝向点火装置被导向。
8. 权利要求1中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述点火装置 是火花塞。
9. 权利要求1中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷射 器是锥形喷雾喷射器。
10. 权利要求1中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷射 器是限定一个燃油出口狭缝的狭缝喷嘴喷射器。
11. 权利要求10中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述狭缝大 致平行于汽缸轴线。
12. 权利要求1中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷射 器是气助燃油喷射器。
13. 平头燃油直喷发动机，包括汽缸体，其包含至少一个汽缸，所述汽缸限定一个内腔并具有 纵向汽缸轴线，其中所述汽缸体在汽缸体第一侧上邻近所述至少一个 汽缸处限定一个排气口和一个进气口 ；进气阀，其具有一个顶面并被布置在所述进气口中； 排气阀，其具有一个顶面并被布置在所述排气口中； 汽缸盖，其大致覆盖汽缸体；燃烧室，其被定位在汽缸轴线的第一侧上并由汽缸盖的至少一 部分、汽缸体、进气阀顶面以及排气阀顶面限定，所述燃烧室有一个 近端和一个相对的远端，所述燃烧室的远端与汽缸内腔的一部分流体 连通；多个点火装置，其至少部分安置于汽缸盖中并且与燃烧室的一 部分连通；燃油喷射器，其被定位在与汽缸轴线大致垂直的燃油喷射器平 面内，所述燃油喷射器被设计为将燃油大致朝向多个点火装置喷射入 燃烧室。
14. 权利要求13中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述排气阀 被设计为在关闭位置和打开位置之间移动，并且其中在关闭位置时，排气阀顶面的至少一部分突出到燃烧室。
15. 权利要求14中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷 射器平面将燃烧室分成上部和下部；并且其中所述点火装置被定位在 燃烧室的上部，所述排气阀被定位在燃烧室的下部。
16. 权利要求15中所述的平头燃油直喷发动机，其中，在使用中， 来自燃油喷射器的燃油在排气阀的顶面的一部分处偏转并向上、朝向 成对点火装置被导向。
17. 权利要求13中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述进气阀 被设计为在关闭位置和打开位置之间移动，并且其中在关闭位置时进 气阀的至少一部分突出到燃烧室。
18. 权利要求17中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷 射器平面将燃烧室分成上部和下部；并且其中所述点火装置被定位在 燃烧室的上部，所述进气阀被定位在燃烧室的下部。
19. 权利要求18中所述的平头燃油直喷发动机，其中，在使用中， 来自燃油喷射器的燃油在进气阀的顶面的一部分处偏转并向上、朝向 所述多个点火装置被导向。
20. 权利要求13中所述的平头燃油直喷发动机，其中多个点火装 置中的每一个点火装置都是火花塞。
21. 权利要求13中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷 射器是锥形喷雾喷射器。
22. 权利要求13中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷 射器是限定一个燃油出口狭缝的狭缝喷嘴喷射器。
23. 权利要求22中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述狭缝大致平行于汽缸轴线。
24. 权利要求13中所述的平头燃油直喷发动机，其中所述燃油喷 射器是气助式燃油喷射器。
25. 权利要求13中所述平头直燃油喷发动机，其中所述多个点火 装置包含一对点火装置。
全文摘要
平头直喷发动机，包括一个内部燃烧汽缸体，该汽缸体具有至少一个与汽缸轴线大致垂直定位的燃油注射器。该发动机还包括至少一个大致定位在所述至少一个燃油注射器附近的排气阀，其中所述排气阀与燃油注射器位于活塞的同一侧上。另一方面，燃油注射器被大致与汽缸轴线垂直定位，由此大量的燃油被喷到热排气阀的顶部上并朝向火花塞偏转，从而在火花塞周围形成分层进气。
文档编号F02B19/00GK101627193SQ200880004764
公开日2010年1月13日 申请日期2008年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者C·麦哈托, K·C·米德基夫, P·V·普茨洛斯哈斯 申请人:阿拉巴马大学