專利名稱：預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，特別是涉及預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的活塞的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
以往的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)例如記載于日本特開2001-65350號公報(圖1、圖6)中。該預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)如下所述，即、將上死點處的活塞頂面與壓力缸蓋下表面之間設(shè)定成盡可能小的間隙，并且，在活塞頂面上設(shè)置有深盤型的燃燒室。由此，盡可能地減小與壓力缸壁面接觸而溫度降低了的混合氣體的體積。根據(jù)該預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，在壓縮步驟后期，混合氣體的大部分被壓入到深盤型的燃燒室中。此時，與壓力缸壁面接觸而溫度降低的混合氣體的體積，與燃燒室內(nèi)的所有混合氣體的體積相比很小。由此，未燃燒氣體和中間生成物的產(chǎn)生量降低。另外，通過將燃燒室設(shè)成攪拌吸入混合氣體的氣流的形狀，使得溫度分布均勻化，減小了點火性的差異，減少了相對來說對自點火不利的區(qū)域，所以未燃燒氣體和中間生成物的產(chǎn)生量降低。
但是，通過將燃燒室設(shè)成深盤型的，僅在活塞處于上死點這一瞬間可以使壓力缸壁面附近的間隙變小，在其前后，相反，表面積相對于燃燒室容積的比會增加而導(dǎo)致熱損失增大，所以存在難以確保自點火所需筒內(nèi)溫度的問題。
另外，如果使燃燒室內(nèi)的溫度分布均勻，則各周期中點火時刻離散而會導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，所以還存在轉(zhuǎn)矩變動的問題。具體地說，燃燒室內(nèi)的溫度分布均一，會使得在燃燒室內(nèi)的多個部位同時點火。在多個部位同時點火的情況下，會使燃燒室內(nèi)的混合氣體一下子燃燒，產(chǎn)生所謂爆燃問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這種問題而作出的，其目的在于提供一種使得燃燒穩(wěn)定的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)。
本發(fā)明的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，利用在一端被壓力缸蓋封閉的壓力缸內(nèi)往復(fù)滑動的活塞，將燃料和含氧氣體的混合氣體壓縮而使其自點火并燃燒，其特征在于，活塞備有擠氣區(qū)，設(shè)置在與壓力缸蓋對置的活塞頂面的外緣部上，產(chǎn)生擠氣；燃燒室，具有設(shè)置在擠氣區(qū)的內(nèi)側(cè)、包括凹陷最深的位置即最深部的凹狀的第1凹陷部；第1凹陷部的深度朝向最深部變深，使得燃燒室內(nèi)的混合氣體具有下述溫度梯度，即、溫度從擠氣區(qū)朝向最深部上升，在最深部達(dá)到最高溫度。
另外，本發(fā)明的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，利用在一端被壓力缸蓋封閉的壓力缸內(nèi)往復(fù)滑動的活塞，將燃料和含氧氣體的混合氣體壓縮而使其自點火并燃燒，其特征在于，活塞備有擠氣區(qū)，設(shè)置在與壓力缸蓋對置的活塞頂面的外緣部上，產(chǎn)生擠氣；燃燒室，設(shè)置在擠氣區(qū)的內(nèi)側(cè)，具有包括凹陷最深的位置即最深部的凹狀的第1凹陷部；對于活塞，(a)第1凹陷部的開口面的直徑相對于最深部的深度的比為5～13的范圍；(b)前述擠氣區(qū)的面積相對于活塞頂面的面積的比為0.25～0.45；(c)當(dāng)活塞位于上死點的位置上時，擠氣區(qū)和前述壓力缸蓋的下表面之間的間隙的間隔為2～3mm。


圖1是本發(fā)明實施方式1的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是該實施方式1的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的活塞和壓力缸的剖視圖。
圖3是該實施方式1的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的活塞在壓力缸內(nèi)位于上死點位置時的剖視圖。
圖4是實施方式2的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的活塞的剖視圖。
具體實施例方式
下面基于附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。
實施方式1關(guān)于實施方式1的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，以燃?xì)鉄岜?以下稱為GHP)用發(fā)動機(jī)為例進(jìn)行說明。
如圖1所示，GHP用發(fā)動機(jī)2備有在內(nèi)部設(shè)置有壓力缸3的壓力缸體4。在壓力缸體4的上部設(shè)置有壓力缸蓋5。在壓力缸3內(nèi)，以可往復(fù)運動的方式設(shè)置有活塞6。連桿7的一端連接在活塞6上，在連桿7的另一端上連接有曲柄軸8。
在壓力缸蓋5上，設(shè)置有開閉吸氣口9的吸氣閥11和開閉排氣口10的排氣閥12。在吸氣口9上連接有吸氣通路13，在排氣口10上連接有排氣通路14。吸氣通路13的另一端向大氣敞開，并且在其中途設(shè)置有將城市煤氣作為燃料噴射的燃料噴射噴嘴15。
如圖2所示，在活塞頂面6a上設(shè)置有燃燒室20。燃燒室20備有凹陷成球面狀的第1凹陷部21、和形成于第1凹陷部21的中央部并且凹陷成球面狀的第2凹陷部22。在活塞頂面6a上，形成有燃燒室20的圓形的開口24。燃燒室20具有凹陷成球面狀的斜面20a，所述斜面20a的斜度為，朝向燃燒室20的中央部下降。在此，設(shè)從第2凹陷部22內(nèi)的凹陷最深的位置即最深部23到活塞頂面6a的距離、即最深部23的深度為H，設(shè)開口24的直徑為D。開口24的直徑D相對于最深部23的深度H的比D/H為8。
另外，在從活塞頂面6a的外緣6b到開口24的周緣24a之間的區(qū)域即外緣部26上，設(shè)置有平坦的擠氣區(qū)25。擠氣區(qū)25是如下所述的部分，即、在活塞6于壓力缸3內(nèi)上升時，有助于處于擠氣區(qū)25上的混合氣體成為渦流即擠氣而向燃燒室20內(nèi)部流入。在此，擠氣區(qū)25的面積相對于活塞頂面6a的面積的比為0.3。
進(jìn)而，設(shè)定成，如圖3所示在活塞6到達(dá)上死點時，擠氣區(qū)25和壓力缸蓋5的下表面5a之間的間隙Δx為2mm。
下面，對本實施方式的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)的工作進(jìn)行說明。
如圖1所示，GHP用發(fā)動機(jī)2起動后，將在吸氣通路13內(nèi)流動的空氣和從燃料噴射噴嘴15向吸氣通路13內(nèi)噴射的氣體燃料的混合氣體供給到GHP用發(fā)動機(jī)2中。當(dāng)活塞6從上死點開始下降時，吸氣閥11打開，混合氣體被吸引到壓力缸3內(nèi)。當(dāng)活塞6從下死點轉(zhuǎn)為上升時，吸氣閥11關(guān)閉，伴隨著活塞6的上升，壓力缸3內(nèi)的混合氣體的壓力和溫度上升?；旌蠚怏w的溫度上升時，由此燃料自然點火，在壓力缸3內(nèi)引起燃燒。通過該燃燒，活塞6被向下推壓，活塞6從下死點開始上升后，排氣閥12打開，壓力缸3內(nèi)的燃燒氣體被向排氣通路14壓出。
活塞6的這樣的往復(fù)運動經(jīng)由連桿7轉(zhuǎn)換成曲柄軸8的旋轉(zhuǎn)運動，從GHP用發(fā)動機(jī)2得到輸出。
下面對本實施方式的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)中燃料的燃燒進(jìn)行說明。
如圖2所示，在壓力缸3內(nèi)，處于擠氣區(qū)25和壓力缸蓋5的下表面5a之間的間隙中的混合氣體，與燃燒室20內(nèi)的混合氣體相比，處于距壓力缸壁3a較近的位置。壓力缸壁3a由用于冷卻GHP用發(fā)動機(jī)2的冷卻水或空氣流冷卻，所以處于擠氣區(qū)25和壓力缸蓋5的下表面5a之間的間隙中的混合氣體比燃燒室20內(nèi)的混合氣體溫度低。壓力缸3內(nèi)的混合氣體在活塞6于壓力缸3內(nèi)上升時被壓縮而溫度上升，處于擠氣區(qū)25和壓力缸蓋5的下表面5a之間的間隙中的混合氣體作為圖2的箭頭A所示的擠氣而沿著斜面20a流入到燃燒室20內(nèi)。這樣，溫度比燃燒室20內(nèi)的混合氣體低的混合氣體成為擠氣而在燃燒室20內(nèi)沿著斜面20a流動時，燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有下述溫度梯度，即溫度從擠氣區(qū)25朝向最深部23上升，在最深部23處達(dá)到最高溫度。
結(jié)果，在燃燒室20內(nèi)，在成為最高溫的最深部23處，首先點火。即，燃燒室20內(nèi)的點火的起點被特定在最深部23。而且，由于最深部23處于第2凹陷部22的內(nèi)部，所以點火時刻的離散降低。另外，應(yīng)補(bǔ)充的是，本發(fā)明中的點火時刻是指產(chǎn)生了全部熱產(chǎn)生量中的10％熱量的時刻。在汽油發(fā)動機(jī)中，通過由火花塞進(jìn)行的點火而可從外部主動控制燃燒開始時刻，在柴油發(fā)動機(jī)中通過燃料噴射而可從外部主動控制燃燒開始時刻。與此相對，在不具有同樣的機(jī)構(gòu)而是通過從外部觀測來確認(rèn)燃燒開始時刻的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)中，為了方便起見，大多將產(chǎn)生了5～10％的熱量的時刻作為點火時刻。在此，出于同樣的理由采用前述定義。在最深部23處點火后，沿著溫度梯度而緩緩產(chǎn)生燃燒，燃燒室20內(nèi)的混合氣體的燃燒變得緩慢。因此，與燃燒室20內(nèi)的混合氣體的溫度均勻的情況不同，沒有多點同時點火而導(dǎo)致所有混合氣體一下子燃燒的情況，也不會產(chǎn)生爆燃等異常燃燒和大的爆炸聲。
這樣，將設(shè)置于活塞6上的燃燒室20設(shè)成下述形狀，即、燃燒室20的開口24的直徑D相對于最深部23的深度H的比D/H為8，而且擠氣區(qū)25的面積相對于活塞頂面6a的面積的比為0.3，并設(shè)定成，在活塞6處于上死點的位置時，擠氣區(qū)25和壓力缸蓋5的下表面5a之間的間隙為2mm，所以，各周期的點火起點被特定在最深部23處，可以降低點火時刻的離散。也就是說，使得第1凹陷部21的深度朝向最深部23變深，以使得燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有下述溫度梯度，即溫度從擠氣區(qū)25向最深部23上升，且在最深部23溫度最高，所以將各周期的點火起點特定在最深部23處，從而可以降低點火時刻的離散。而且，通過使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有溫度梯度，在最深部23處點火后會沿著溫度梯度而緩緩引起燃燒，從而燃燒室20內(nèi)的混合氣體的燃燒變得緩慢，可以抑制爆燃等異常燃燒和爆炸聲。
實施方式2下面，對本發(fā)明實施方式2的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)進(jìn)行說明。在下面的實施方式中，與圖1～圖3的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記表示相同或者等同的構(gòu)成要素，省略其詳細(xì)說明。
實施方式2的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)相對于實施方式1來說，在燃燒室20內(nèi)的最深部23上設(shè)置有隔熱件。
如圖4所示，在設(shè)置于活塞30上的燃燒室20內(nèi)的最深部23中，設(shè)置有鐵類的金屬材料或陶瓷等隔熱件31。與實施方式1同樣，燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有下述溫度梯度，即在最深部23具有最高溫度并且從擠氣區(qū)25朝向最深部23溫度上升。利用隔熱件31的保溫效果，可以防止最深部23處的混合氣體的熱量經(jīng)由活塞6而散掉。由此，可以將最深部23處的混合氣體的溫度盡可能維持得較高，所以可以可靠地將點火的起點特定在最深部23。
在實施方式1和2中，設(shè)D/H為8，但并不限于該值。通過將D/H的值設(shè)定為5～13的范圍，便可以使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有這樣的溫度梯度。這是因為，如果D/H比這個范圍小，則斜面20a的斜度變大，擠氣不易沿著斜面20a流動，所以難以使混合氣體具有沿著斜面20a的溫度梯度。相反，如果D/H比這個范圍大，則最深部23的深度變淺，使得最深部23附近的混合氣體的溫度容易受到壓力缸3內(nèi)部的溫度影響，從而不能使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有溫度梯度。
在實施方式1和2中，設(shè)擠氣區(qū)25的面積相對于活塞頂面6a的面積之比為0.3，但并不限于該值。通過將該面積比設(shè)定為0.25～0.45的范圍，便可以產(chǎn)生使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有溫度梯度的擠氣。這是因為，如果該面積比比這個范圍大，則擠氣變大，流入到燃燒室20內(nèi)的擠氣會攪拌燃燒室20內(nèi)的混合氣體，從而使溫度均勻化。相反，如果該面積比比這個范圍小，則擠氣變小，不能充分地在燃燒室20內(nèi)流通，所以難以使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有溫度梯度。
在實施方式1和2中，設(shè)擠氣區(qū)25和壓力缸蓋5的下表面5a之間的間隙Δx為2mm，但并不限于該值。通過將Δx設(shè)定為2～3mm的范圍，便可以產(chǎn)生使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有溫度梯度的擠氣。這是因為，如果Δx比這個范圍小，則擠氣變大，會使燃燒室20內(nèi)的混合氣體的溫度均勻化。相反，如果Δx比這個范圍大，則擠氣變小，難以使燃燒室20內(nèi)的混合氣體具有溫度梯度。
在實施方式1和2中，燃燒室20和30備有第1凹陷部21和第2凹陷部22，但是并不限于該形狀。只要是具有斜度為朝向最深部23下降的斜面并且D/H的值為5～13的范圍，則也可以不是球面狀。作為其他形狀，列舉有將圓錐形的頂點倒圓了的凹陷等。在這種情況下，圓錐的頂點成為最深部。另外，也可以是沒有第2凹陷部22，僅有第1凹陷部21。在沒有第2凹陷部22的情況下，第1凹陷部21中凹陷最深的位置成為最深部23。
另外，在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)，可以對實施方式1和2進(jìn)行變更。例如，在實施方式1和2中，將燃料設(shè)為城市煤氣，但是也可以采用LPG或CNG等其他氣體燃料，另外，還可以使用輕油或汽油等液體燃料。作為向吸氣通路內(nèi)供給氣體燃料的機(jī)構(gòu)，除了燃料噴射噴嘴之外，還可以適當(dāng)選擇混合器等。發(fā)動機(jī)的形式也可以進(jìn)行適當(dāng)變更，為V型、水平對置型等。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)(2)，利用在一端被壓力缸蓋(5)封閉的壓力缸(3)內(nèi)往復(fù)滑動的活塞(6)，將燃料和含氧氣體的混合氣體壓縮而使其自點火并燃燒，其特征在于，前述活塞(6)備有擠氣區(qū)(25)，設(shè)置在與前述壓力缸蓋(5)對置的前述活塞頂面(6a)的外緣部(26)上，產(chǎn)生擠氣；燃燒室(20)，設(shè)置在前述擠氣區(qū)(25)的內(nèi)側(cè)，具有包括凹陷最深的位置即最深部(23)的凹狀的第1凹陷部(21)；前述第1凹陷部(21)的深度朝向前述最深部(23)變深，使得前述燃燒室(20)內(nèi)的混合氣體具有下述溫度梯度，即、溫度從前述擠氣區(qū)(25)朝向前述最深部(23)上升，在前述最深部(23)達(dá)到最高溫度。
2.一種預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)(2)，利用在一端被壓力缸蓋(5)封閉的壓力缸(3)內(nèi)往復(fù)滑動的活塞(6)，將燃料和含氧氣體的混合氣體壓縮而使其自點火并燃燒，其特征在于，前述活塞(6)備有擠氣區(qū)(25)，設(shè)置在與前述壓力缸蓋(5)對置的前述活塞頂面(6a)的外緣部(26)上，產(chǎn)生擠氣；燃燒室(20)，設(shè)置在前述擠氣區(qū)(25)的內(nèi)側(cè)，具有包括凹陷最深的位置即最深部(23)的凹狀的第1凹陷部(21)，對于前述活塞(6)，(a)前述第1凹陷部(21)的開口面(24)的直徑相對于前述最深部(23)的深度的比為5～13的范圍；(b)前述擠氣區(qū)(25)的面積相對于前述活塞的頂面(6a)的面積的比為0.25～0.45；(c)當(dāng)前述活塞(6)位于上死點的位置上時，前述擠氣區(qū)(25)和前述壓力缸蓋(5)的下表面(5a)之間的間隙的間隔為2～3mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，其特征在于，在前述第1凹陷部(21)的凹陷最深的位置上，設(shè)置有第2凹陷部(22)，前述最深部(23)位于前述第2凹陷部(22)內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，其特征在于，在前述最深部(23)中，設(shè)置有隔熱件(31)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)，其特征在于，前述預(yù)混合壓縮點火發(fā)動機(jī)(2)是燃?xì)鉄岜糜冒l(fā)動機(jī)。
全文摘要
在活塞頂面(6a)上設(shè)置有燃燒室(20)，所述燃燒室(20)備有凹陷成球面狀的第1凹陷部(21)、和形成于第1凹陷部(21)的中央部并且凹陷成球面狀的第2凹陷部(22)。燃燒室(20)設(shè)定成下述形狀，即、燃開口(24)的直徑(D)相對于最深部(23)的深度(H)的比為5～13，而且，擠氣區(qū)(25)的面積相對于活塞頂面(6a)的面積的比為0.25～0.45。并且，設(shè)定成擠氣區(qū)(25)和壓力缸蓋(5)的下表面(5a)之間的間隙為2～3mm。
文檔編號F02B23/06GK1789688SQ20051002286
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者葛山裕史 申請人:株式會社豐田自動織機(jī)