专利名称：火花点火式内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及火花点火式内燃机，特别涉及发动机主体的几何压缩高的火花点火式 内燃机。
背景技术：
以往，在火花点火式内燃机领域中，就发动机主体的形状进行了各种研究。例如， 日本专利公开公报特开2007-1M827号中公开了基于火焰与燃烧室壁的碰撞的观点而就 燃烧室的高度所进行的研究的结果。即，该公报所公开的火花点火式内燃机中，基于以下的 观点亦即若火焰与燃烧室壁较早地碰撞，则火焰的成长速度降低，从而燃烧时间延长，随之 内燃机热效率降低这一观点，为抑制内燃机热效率的降低，在活塞的上表面的与火花塞对 应的位置形成有球面状的空腔(凹部)，燃烧室中与火花塞对应的部分的高度被设定得较 尚ο
此外，自以往已知，若提高发动机主体的几何压缩比，则内燃机热效率增高，燃油 经济性提高。
所述公报所公开的以往的火花点火式内燃机中，能够延迟火焰与活塞的碰撞。然 而，如为延迟该碰撞而仅单纯地提高燃烧室的高度，则有可能在使发动机主体高压缩比化 的情况下不能得到充分的内燃机输出。
S卩，若提高燃烧室的高度且提高发动机主体的几何压缩比，则需要配合燃烧室的 高度的增加来延长活塞的行程。在相同的排气量下，若活塞长行程化则相对地气缸的缸径 变小。若气缸的缸径变小，则设置在形成燃烧室的顶部的气缸盖上的进气门的直径变小，因 而进气门的开口面积变小。这样，若进气门的开口面积变小，则在内燃机速度的上升时不能 向气缸内填充充分的进气，有可能造成内燃机输出降低。发明内容
本发明的目的在于提供一种在发动机主体的几何压缩比为高压缩比情况下能够 确保内燃机输出的火花点火式压缩内燃机。
为实现该目的，本发明的火花点火式内燃机包括发动机主体，具备气缸、在该气 缸内往复移动的活塞、以及设置在所述气缸上并在与所述活塞的上表面之间形成燃烧室的 气缸盖；两个进气门，设置在所述气缸盖中，能够分别阻断空气向所述气缸内的流入；两个 排气门，设置在所述气缸盖中，能够分别阻断排气自所述气缸中的流出；火花塞，设置在所 述气缸盖中并面临所述燃烧室；燃料喷射阀，设置在所述气缸盖中并面临所述燃烧室；其 中，所述发动机主体的几何压缩比设定为14以上，位于上止点的所述活塞的上表面与处于 关闭状态的所述进气门的下表面之间的距离、以及位于上止点的所述活塞的上表面与处于 关闭状态的所述排气门的下表面之间的距离分别设定为5mm以上，所述气缸的缸径为B时， 所述活塞的行程S的长度设定为满足以下数式(1)
S^O. 997XB+18. 2(1)。
根据该火花点火式内燃机，能够在发动机主体的几何压缩比为14以上的情况下， 较大地确保进气门的开口面积进而较大地确保气缸内的空气填充量，实现高内燃机输出。
图1是本发明所涉及的火花点火式内燃机的概略结构图。
图2是表示燃烧室附近的结构的概略立体图。
图3是活塞位于上止点的状态下的燃烧室附近的概略剖视图。
图4是两点点火式的发动机中，活塞位于上止点的状态下的燃烧室附近的概略剖 视图。
图5是表示缸径与行程的关系的图。
图6是表示缸径与最高内燃机输出的关系的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明所涉及的发动机E (火花点火式内燃机)的概略结构图。该发动机E 是搭载在汽车等车辆上的四冲程火花点火式内燃机。该发动机E的发动机主体(内燃机主 体)具备气缸体1和设置在该气缸体1上的气缸盖2。在该气缸体1的与气缸盖2之间的 内部形成有多个气缸C。这些气缸C的数量没有特别的限定，例如是形成有四个气缸C。所 述各气缸C内嵌入有沿该气缸C的轴心cl (参照图幻在图1的上下方向上滑动的活塞3。 活塞3通过连杆连接于旋转自如地支撑在气缸体1下部的曲轴4。活塞3的往复运动转换 为曲轴4的旋转运动。
所述气缸C内，在活塞3的上方划分出燃烧室5。图2是表示所述发动机主体中 的燃烧室5附近的结构的概略立体图。图3是活塞3位于上止点的状态下的燃烧室5附近 的概略剖视图。燃烧室5的顶部fe由形成于气缸盖2的下表面的凹处构成。本实施方式 中，燃烧室5为所谓的屋脊型，其顶部fe呈由进气侧及排气侧的两个倾斜面构成的三角屋 檐状。
所述气缸盖2中形成有与燃烧室5连通的两个进气口 6、6和两个排气口 7、7。本 实施方式中，所述燃烧室5的顶部fe的倾斜面上分别开有进气口 6、6与排气口 7、7。该气 缸盖2上设置有用以使各进气口 6、6分别与燃烧室5断开的进气门(进气阀)8、8和用以 使各排气口 7、7分别与燃烧室5断开的排气门(排气阀)9、9。这些进气门8、8及排气门 9、9通过未图示的气门传动机构在所定的时机被开闭。
所述气缸盖2中安装有一个以沿气缸轴心cl延伸的姿势设置的火花塞11。该火 花塞11的远端从燃烧室5的顶部fe的中央附近面临燃烧室5。该火花塞11在所定的时机 在燃烧室5内产生火花，从而对燃烧室5内的混合气体点火。
所述气缸盖2上安装有用于向燃烧室5内直接喷射燃料的喷射器(燃料喷射 阀)10。该喷射器10的远端面临燃烧室5。更详细地说，该喷射器10配置为其远端位于所 述两个的进气口 6、6的下方，且在水平方向上位于所述两个进气口 6、6的中间。该喷射器 10在所定的时机从燃烧室5的周缘部向中央喷射燃料。本实施方式中假定为直喷式，但本 发明也可以用于进气口喷射式内燃机。
所述活塞3的上表面3a上亦即构成燃烧室5的底部的部分上形成有与燃烧室5 的顶部fe的三角屋檐形状对应地从进气侧及排气侧分别向中央隆起的隆起部31。该隆起 部31的形成，在调整燃烧室5的容积及提高气缸C的几何压缩比方面起到作用。并且，该 隆起部31的形成，使燃烧室5整体的高度大体相同，因而在火焰传播性方面较为理想。
所述隆起部31中形成有凹部32。该凹部32设置在隆起部31的中央附近，火花塞 11的下方。若从火花塞的点火点成长的火焰与活塞的上表面较早地碰撞，则火焰的成长速 度降低，火焰传播性恶化进而内燃机热效率恶化。对此，本发动机E中，由于设置有所述凹 部32因而能够延迟从火花塞11的点火点成长的火焰与活塞的上表面3a的碰撞，能够提高 火焰传播性。此外，所述凹部32的具体的形状并不限于图2所示的碗形。
在此，也可对一个气缸2设置两个火花塞11。在这样对一个气缸2设置两个火花 塞11的两点点火式发动机E的情况下，如图4所示，将其中一个火花塞11与上述那样的对 一个气缸2仅设置一个火花塞11的单点点火式的发动机E同样地安装在燃烧室5的顶部 5a的中央附近，而将另一个火花塞11安装在燃烧室5的顶部fe的周缘部附近。此外，在所 述隆起部31中，设置有两个与各火花塞11、11对应的凹部32、32。
在由上述的要素构成的发动机E中，本实施方式中，为提高内燃机热效率，提高燃 油经济性，将发动机主体的几何压缩比ε设定为14.0。众所周知，当活塞3位于上止点 (TDC)时的燃烧室5的容积(包括凹部32的容积的总容积)为VI，排气量(行程容积)为 VO时，所述几何压缩比ε表示为(V0+V1)/V1。
为了在所述发动机主体的几何压缩比ε设定为ε = 14. 0的情况下，确保低速高 负载的输出转矩，本实施方式中，将活塞3的行程S设定为满足S ^ 81. 2mm。此外，为使发 动机E的最大输出为70PS/L以上，当气缸C的缸径为B时，将活塞3的行程S设定为满足 S彡0. 977XB+18. 2。S卩，行程S与缸径B被设定在图5的缸径B与行程S的关系图中的由 S = 81. 2mm 的线 Lb_14 与 S = 0. 977XB+18. 2 的线 La_70 所包围的区域 A。
该图5中，虚线Ll L6分别是表示排气量相同的发动机主体中的行程S与缸径 B的关系的排气量恒定线。具体而言，从Ll开始按顺序分别是排气量为1. 3L、1. 5L、1. 8L、 2. 0L、2. 3L、2. 5L的行程S与缸径B的关系的线。
因此，本实施方式中，活塞3的行程S与气缸C的缸径B根据所要求的发动机主体 的排气量被设定为所述排气量恒定线Ll L6中位于所述区域A内的线段上的值。
如上述那样设定行程S的范围是根据以下所述的研究结果。
首先，对关于所述S彡0. 977XB+18. 2的范围的检讨结果进行说明。
如前所述，若从火花塞的点火点成长的火焰与活塞的上表面较早地碰撞，则内燃 机热效率恶化。因此，较为理想的是火花塞11与活塞3的上表面3a之间的距离亦即燃烧 室5的高度有一定程度大。因此，若要提高发动机主体的几何压缩比ε，则需要延长活塞3 的行程S。然而，如图5的各排气量恒定线所示，若延长活塞3的行程S，则在相同的排气量 下气缸C的缸径B相对地变小。并且，若缸径B变小则进气门8、8的直径变小，进气门8、8 的开口面积变小。其结果，当发动机主体的转速上升时不能向气缸11内填充充分的进气， 有可能造成发动机的输出亦即内燃机输出降低。
因此，本发明的发明人调查了排气量恒定的情况下缸径B以及进气门8、8的大小 对内燃机输出造成的影响。具体而言，准备排气量相同而气缸C的缸径B相互不同而且与此相应地燃烧室5的顶部的大小及进气门8、8直径相互不同的多个种类的发动机，测量各 发动机的最高内燃机输出。该测量是对不同的多个排气量，详细而言，是对排气量为1.3L、 1. 5L、1. 8L、2. 0L、2. 3L、2. 5L的发动机进行的。测量结果如图6所示。如图6所示，随着气缸 C的缸径B增加，进气门8、8的直径变大，发动机的最高内燃机输出增大。图6中，线Lll L16是从Lll按序分别为排气量在1. 3L、1. 5L、1. 8L、2. 0L、2. 3L、2. 5L时的测量结果，最高内 燃机输出为70PS/L时的发动机转速为6500rpm，85PS/L时的发动机转速为7000rpm。
将各排气量下实现70PS/L的最高内燃机输出的缸径B (称为70PS/L缸径)和与 其对应的行程S标出在图5的图中时(点Pl P6)，可以判明70PS/L缸径B和行程S与排 气量无关地处于S = 0. 977XB+18. 2的关系。由此，若使缸径B大于所述70PS/L缸径B，亦 即，若将行程S抑制在缸径B的一次函数0. 977XB+18. 2以下，则能够确保70PS/L以上的 最高内燃机输出。
此外，将各排气量下实现85PS/L的最高内燃机输出的缸径B (称为85PS/L缸径) 和与其对应的行程S标出在图5所示的图中时(点P11 P16)，可以判明这些85PS/L缸径 B与行程S与排气量无关地处于3 = 0.977父8+15.1(图5的直线1^_85)的关系。由此，若 使缸径B大于所述85PS/L缸径，亦即，若将行程S抑制在缸径B的一次函数0. 977 X B+15. 1 以下，则能够确保85PS/L以上的最高内燃机输出。
接下来，对关于所述S彡81. 2mm的范围的检讨结果进行说明。
如前所述，为了确保所定量的燃烧室5的高度且提高发动机主体的几何压缩比 ε，需要将行程S延长一定程度。在此，发明人发现，基于避免如上所述的火焰与活塞的上 表面的碰撞的观点以及确保低负载时的输出转矩的观点，行程S存在确定的下限值。
在发动机主体的转速低、负载高的运转区域中，为向气缸11内导入足量的新鲜空 气，此外，为减少气缸11内的残存气体的量，将气缸11内的温度抑制为较低以避免爆震，需 要在上止点附近打开进气门8、8与排气门9、9来对气缸11内进行换气。对此，本发明的发 明人对多个发动机进行实验，得知在2000rpm时，为使每lOOOcc排气量输出IOONm以上的 扭矩，进气门8、8与排气门9、9均打开的重叠期间需要为包括上止点在内的35° CA。在这 样使重叠期间为35° CA的情况下，在BTDC(上止点前)9° CA及ATDC(上止点后)8° CA 附近，进气门8、8及排气门9、9与活塞3最接近，因此，为避免各个气门8、8、9、9与活塞3 的碰撞，需要使位于上止点的活塞3的上表面3a与处于关闭状态的各气门8、8、9、9的下表 面8a、8a、9a、9a之间的距离，在这些气门的移动方向上亦即在与这些下表面8a、8a、9a、9a 正交的方向上，为5mm以上。
在此，为了便于理解燃烧室的缸径/行程的关系式，将该关系式如下所述地简易 地模型化。即，在活塞3的上表面3a与各气门8、8、9、9的下表面8a、8a、9a、9a之间的距离为 h的情况下，设气缸的剖面积为A(A = —个气缸11的排气量VO/行程幻，燃烧室的容积Vl 表示为 Vl = AXhXKl+(A-K2) XK3。AXhXKl 是各气门 8、8、9、9 的下表面 8a、8a、9a、9a 与 活塞3的上表面3a之间的容积。Kl是根据燃烧室5的形状确定的常量。(A-以)XK3是各气 门8、8、9、9与气缸盖2之间的间隙的容积。K2是各气门8、8、9、9的气门面积的合计。K3是 与该间隙的高度相当的常量。在此，为使压缩比为ε以上，需要使燃烧室5的容积Vl满足 Vl^≤ (ε-DXVO0若在该式中使用上述Vl的数式，则h为h≤(V0/( ε -1)-(Α_Κ2)) ΧΚ3)/ AKl0由此，为使该h如上所述地为5mm以上，至少需要满足(V0/( ε-1)-(A_K2)) XK3)/AKl彡5。根据该式，在压缩比为14以上的情况下，计算实现活塞3的上表面3a与各气门 的8、8、9、9的下表面8a、8a、9a、9a之间的距离为5mm以上的条件时，S为S彡81. 2mm。此 外，在压缩比为15以上、以及两点点火式的发动机E且压缩比为14以上的情况下，S为 S 彡 84. 75mm。图 5 的直线 Lb_15 是 S = 84. 75mm 的线。
根据以上的检讨结果，在单点点火式的发动机E中，若将行程S设定在图5的区域 A内亦即由直线La_70与直线Lb_14所包围的区域内，则能够在压缩比为14以上的情况下 确保低速高负载下的输出转矩，且能够将最高输出设为70PS/L以上(6500rpm时)，还能够 避免进气门8、8及排气门9、9与活塞3的碰撞，确保这些气门的重叠期间。此外，在单点点 火式的发动机E中，若将行程S设定在由图5的直线La_85与直线Lb_15所包围的区域内， 则能够在压缩比为15以上的情况下确保低速高负载下的输出转矩，且能够将最高输出设 为85PS/L以上(7000rpm时)，还能够确保进气门8、8及排气门9、9的气门重叠期间。
在此，众所周知，从活塞的耐用性考虑，活塞3的平均活塞速度较为理想的是在所 定值例如22m/s以下。因此，作为行程S，较为理想的是除所述缸径B的一次函数之外，设 定为使该平均活塞速度为2an/s的值以下。具体而言，在发动机的转速为6500rpm的情况 下，较为理想的是S ( 100. 4mm。此外，在发动机的转速为7000rpm的情况下，较为理想的是 S彡94. 6mm。即，较为理想的是，行程S设定在图5中位于直线Lc_65所表示的S = 100. 4mm 的线下侧或Lc_70所表示的S = 94. 6mm的线下侧的区域内。
此外，本发明所涉及的火花点火式内燃机的结构并不限定于所述实施方式，还包 括除此之外的各种结构。例如发动机E也可以不是四缸而是六缸等。
如上所述，本发明的发明人针对各种排气量，通过对行程S、缸径B以及进气门的 直径进行各种变更，对这些的行程S及缸径B与内燃机输出的关系进行了锐意研究。发现以 下结果为使内燃机输出为所定值以上，行程S与缸径B需要满足某种一定的关系。另外， 本发明的发明人在该研究过程中还发现以下结果为了在低速高负载区域中确保气缸C内 的新鲜空气量，此外为了减少气缸C内的残存气体来降低气缸C内温度，需要设置进气门6、 6与排气门8、8均打开的重叠期间，以确保所定的换气性能，为了实现该重叠，各气门8、8、 9、9的下表面8a、8a、9a、9a与活塞3的上表面3a之间的距离需要为某一长度以上。
本发明是根据所上述研究结果而得出的，本发明的火花点火式内燃机包括发动 机主体，具备气缸、在该气缸内往复移动的活塞、以及设置在所述气缸上并在与所述活塞的 上表面之间形成燃烧室的气缸盖；两个进气门，设置在所述气缸盖中，能够分别阻断空气向 所述气缸内的流入；两个排气门，设置在所述气缸盖中，能够分别阻断排气自所述气缸中的 流出；火花塞，设置在所述气缸盖中并面临所述燃烧室；燃料喷射阀，设置在所述气缸盖中 并面临所述燃烧室；其中，所述发动机主体的几何压缩比设定为14以上，位于上止点的所 述活塞的上表面与处于关闭状态的所述进气门的下表面之间的距离、以及位于上止点的所 述活塞的上表面与处于关闭状态的所述排气门的下表面之间的距离分别设定为5mm以上， 所述气缸的缸径为B时，所述活塞的行程S的长度设定为满足数式S ^ 0. 997XB+18. 2。
根据该火花点火式内燃机，能够在发动机主体的几何压缩比为14以上的情况下， 实现较高的热效率进而较高的燃油经济性，并且能够实现较高的内燃机输出。
S卩，由于行程S和缸径B设定为满足数式S彡0. 997XB+18. 2，缸径B设定得充分的 大，因此能够使发动机主体的几何压缩比为高压缩比，并且能够确保进气门的开口面积，确保高速时的气缸内的空气填充量。所述高压缩比化能够实现较高的燃油经济性，所述空气 填充量的确保能够实现较高的内燃机输出。在此，所述数式是能够确保每单位排气量70PS 以上的内燃机输出的数式。因此，满足该数式能够得到至少70PS/L的内燃机输出。
并且，由于所述进气门及排气门的下表面与活塞的上表面之间的距离设定为5mm 以上，因此能够在上止点附近使进气门与排气门同时打开所定升程。这样，基于这些气门的 重叠期间能够提高换气性。并且，该换气性的提高亦即残存气体的减少能够使气缸内温度 降低，从而能够进行点火提前控制，且使气缸内的新鲜空气量增大，从而能够使输出转矩增 大。
此外，若行程S和缸径B设定为满足数式S彡0. 997XB+15. 1，则能够确保85PS/L 以上的输出。
在此，在压缩比为14以上的情况下，算出使位于上止点的所述活塞的上表面与处 于关闭状态的所述进气门的下表面之间的距离、以及位于上止点的所述活塞的上表面与处 于关闭状态的所述排气门的下表面之间的距离分别为5mm以上的条件，为S彡81. 2mm。因 此，本发明中，较为理想的是所述活塞的行程S设定为81. 2mm以上的长度。
若这样做，能够在发动机主体的几何压缩比为14以上的情况下，确保上止点附近 的进气门与排气门的重叠期间。
此外，本发明中，在压缩比为15以上的情况下，算出使位于上止点的所述活塞的 上表面与处于关闭状态的所述进气门的下表面之间的距离、以及位于上止点的所述活塞 的上表面与处于关闭状态的所述排气门的下表面之间的距离分别为5mm以上的条件，为 S彡84. 75mm。因此，本发明中，较为理想的是所述活塞的行程S设定为84. 75mm以上的长度。
若这样做，能够在发动机主体的几何压缩比为15以上的情况下，确保上止点附近 的进气门与排气门的重叠期间。
权利要求
1.一种火花点火式内燃机，其特征在于包括发动机主体，具备气缸、在该气缸内往复移动的活塞、以及设置在所述气缸上并在与所 述活塞的上表面之间形成燃烧室的气缸盖；两个进气门，设置在所述气缸盖中，能够分别阻断空气向所述气缸内的流入； 两个排气门，设置在所述气缸盖中，能够分别阻断排气自所述气缸中的流出； 火花塞，设置在所述气缸盖中并面临所述燃烧室； 燃料喷射阀，设置在所述气缸盖中并面临所述燃烧室；其中， 所述发动机主体的几何压缩比设定为14以上，位于上止点的所述活塞的上表面与处于关闭状态的所述进气门的下表面之间的距离、 以及位于上止点的所述活塞的上表面与处于关闭状态的所述排气门的下表面之间的距离 分别设定为5mm以上，所述气缸的缸径为B时，所述活塞的行程S的长度设定为满足以下数式(1) S^O. 997XB+18. 2(1)。
2.根据权利要求1所述的火花点火式内燃机，其特征在于 所述活塞的行程S的长度设定为满足以下数式O)S 彡 0. 997XB+15. 1(2)。
3.根据权利要求1或2所述的火花点火式内燃机，其特征在于 所述活塞的行程S的长度设定为81. 2mm以上。
4.根据权利要求1或2所述的火花点火式内燃机，其特征在于 所述活塞的行程S的长度设定为84. 75mm以上。
全文摘要
本发明提供一种在几何压缩比为高压缩比情况下能够确保内燃机输出的火花点火式内燃机。该火花点火式内燃机中，发动机主体的几何压缩比设定为14以上，位于上止点的活塞(3)的上表面(3a)与处于关闭状态的进气门(8、8)的下表面(8a、8a)之间的距离、以及位于上止点的活塞(3)的上表面(3a)与处于关闭状态的排气门(9、9)的下表面(9a、9a)之间的距离分别设定为5mm以上，气缸C的缸径为B时，活塞(3)的行程S的长度设定为满足以下数式S≤0.997×B+18.2。
文档编号F02B23/08GK102042074SQ20101053405
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者中原康志, 后藤刚, 工藤秀俊, 西田正美 申请人:马自达汽车株式会社