КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
DESIGN OF COMBUSTION CHAMBER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SPARK IGNITION

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к конструкции камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
Описание предшествующего уровня техники
[0002] В данной области техники известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором смешанный поток образуется в камере сгорания и направляется в область, которая находится в непосредственной близости от свечи зажигания. Например, в конструкции камеры сгорания этого типа двигателя внутреннего сгорания, как описано в публикации заявки на патент Японии №2013-113126 (JР 2013-113126 А), область свечи зажигания, которая находится вокруг отверстия под свечу зажигания, и четыре портовые области, которые образованы около двух впускных портов и двух выпускных портов, разграничены или отделены друг от друга с помощью гребней, при этом каждая из области свечи зажигания и четырех портовых областей выполнена, по существу, полусферической формы, которая вогнута вверх в камере сгорания. С помощью конструкции камеры сгорания смешанный поток, который распадается около верхней мертвой точки такта сжатия, может быть сконцентрирован в непосредственной близости от свечи зажигания. Соответственно эффективность зажигания может быть повышена и эффективность сгорания может быть увеличена.
Сущность изобретения
[0003] В то же время скорость потока смешанного потока изменяется, когда двигатель изменяет частоту вращения. Если скорость смешанного потока увеличивается с увеличением частоты вращения двигателя, то смешанный поток с большой вероятностью распадается во время такта сжатия. Если смешанный поток распадается, то скорость потока смешанного потока в непосредственной близости от места, где установлена свеча зажигания, чрезмерно уменьшается, и эффективность зажигания может ухудшиться. Кроме того, если смешанный поток распадается, то воздушно-топливная смесь неравномерно или неоднородно распределяется непосредственно перед зажиганием, что может привести к неровному или неравномерному распространению пламени после воспламенения.
[0004] Настоящее изобретение обеспечивает конструкцию камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, которая создает смешанный поток в камере сгорания и в которой смешанный поток распадается с меньшей вероятностью или не распадается совсем.
[0005] Конструкция камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием в соответствии с одним объектом настоящего изобретения включает в себя камеру сгорания, выполненную с возможностью воспроизводить смешанный поток, который завихряется в осевом направлении цилиндра, свечу зажигания, расположенную в центральной части верхней стенки камеры сгорания, и направляющую часть, выступающую от верхней стенки камеры сгорания. Направляющая часть выполнена с возможностью направлять воздушный поток, проходящий через центральную часть камеры сгорания в направлении впуска-выпуска камеры сгорания, обеспечивая разделение воздуха вокруг направляющей части.
[0006] С помощью описанной выше конструкции направляющая часть, которая выступает из верхней стенки камеры сгорания, позволяет сдерживать распад смешанного потока в такте сжатия, который в противном случае будет происходить по причине повышения скорости смешанного потока. Кроме того, направляющая часть может устранить неравномерность в распределении воздушно-топливной смеси непосредственно перед зажиганием. Соответственно неоднородное или неравномерное распространение пламени после воспламенения может быть предотвращено.
[0007] В конструкции камеры сгорания в соответствии с вышеуказанным объектом настоящего изобретения направляющая часть может быть предусмотрена в том месте, где установлена свеча зажигания. Кроме того, верхняя стенка камеры сгорания может иметь два впускных порта и два выпускных порта, и направляющая часть может иметь внешнюю поверхность, которая начинается в точке между двумя впускными портами, причем внешняя поверхность простирается вдоль внешних краев седел клапанов соответствующих впускных портов, а далее внешняя поверхность изгибается в точках между впускными портами и выпускными портами, чтобы быть направленной между двумя выпускными портами, при этом внешняя поверхность заканчивается в точке между двумя выпускными портами.
[0008] Направляющая часть может быть расположена на стороне впуска камеры сгорания. Тем не менее, если направляющая часть предусмотрена на стороне впуска камеры сгорания, то это может препятствовать потоку всасываемого воздуха в камеру сгорания. Если направляющая часть предусмотрена в том месте, где установлена свеча зажигания, как описано выше, то входной поток воздуха плавно проходить в камеру сгорания. Кроме того, в случае, где предусмотрены два впускных порта и два выпускных порта в верхней стенке камеры сгорания, внешняя поверхность направляющей части предпочтительно имеет такую форму, как описано выше.
Краткое описание чертежей
[0009] Признаки, преимущества, техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы и на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в поперечном сечении камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе камеры сгорания, если смотреть со стороны поршня;
Фиг. 3 показывает вид сверху камеры сгорания, если смотреть со стороны поршня;
Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном сечении IV-IV, показанном на фиг. 3;
Фиг. 5 представляет собой вид в поперечном сечении V-V, показанном на фиг. 3;
Фиг. 6 представляет собой вид, показывающий изменения скорости потока газа вблизи ВМТ такта сжатия;
Фиг.7 представляет собой вид, показывающий распределение воздушного потока в ВМТ такта сжатия в сравнительной камере сгорания;
Фиг. 8 представляет собой вид, показывающий распределение скорости воздушного потока в ВМТ такта сжатия в сравнительной камере сгорания;
Фиг. 9 является видом, показывающим распространение пламени в сравнительной камере сгорания с течением времени;
Фиг. 10 представляет собой вид, показывающий распределение воздушного потока в ВМТ такта сжатия в камере сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 11 представляет собой вид, показывающий распределение скоростей воздушного потока в ВМТ такта сжатия в камере сгорания согласно варианту осуществления;
Фиг. 12 представляет собой вид, показывающий зависимость между величиной выступающей части выступа и скоростью потока вблизи свечи зажигания;
Фиг. 13А представляет собой схематический вид выступа;
Фиг. 13В представляет собой вид в поперечном сечении выступа;
Фиг. 14 представляет собой вид, показывающий изменения в турбулентности воздушного потока около ВМТ такта сжатия; и
Фиг. 15 представляет собой вид, показывающий модифицированный пример варианта осуществления изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
[0010] Конструкция камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения будет описана со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0011] Фиг. 1 представляет собой схематический вид в поперечном сечении камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, поршень 14 установлен в цилиндр 12 двигателя 10 так, что поршень 14 может осуществлять возвратно-поступательное движение в цилиндре 12 в скользящем контакте с ним. Головка 16 блока цилиндров установлена на цилиндре 12. Камера 18 сгорания ограничена стенкой ствола цилиндра 12, верхней поверхностью поршня 14 и нижней частью головки 16 блока цилиндров.
[0012] Клапан 20 впрыска топлива для прямого впрыска топлива в камеру 18 сгорания установлен в головке 16 блока цилиндров. Свеча 22 зажигания для воспламенения воздушно-топливной смеси в камере 18 сгорания также предусмотрена в головке 16 блока цилиндров. По существу, двигатель 10 внутреннего сгорания представляет собой двигатель с внутрицилиндровым или прямым впрыском с искровым зажиганием. Двигатель 10 может быть двигателем с искровым зажиганием, в котором впрыск осуществляется во впускном порте.
[0013] Впускные порты 24 и выпускные порты 26 образованы на нижней поверхности головки 16 блока цилиндров. Камера 18 сгорания сообщается с впускным каналом 28 через впускные порты 24 и сообщается с выпускным каналом 30 через выпускные порты 26. Впускные порты 24 образованы в такой форме, чтобы способствовать формированию смешанного потока всасываемого воздуха в виде вертикального потока, который завихрится в направлении, указанном стрелкой I на фиг. 1. Клапан управления расходом воздуха для эффективного получения смешанного потока может быть установлен во впускном канале 28. Впускной клапан 32 установлен в каждом из впускных портов 24. Выпускной клапан 34 установлен в каждом из выпускных портов 26.
[0014] Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе камеры 18 сгорания, если смотреть со стороны поршня 14. Как показано на фиг. 2, два впускных порта 24 и два выпускных порта 26 образованы в головке 16 блока цилиндров. Седло 36 клапана встроено в открытый конец каждого из впускных портов 24. Седло 38 клапана встроено в открытый конец каждого из выпускных портов 26. Внутренняя периферийная поверхность каждого из седел 36, 38 клапана образована конусообразным отверстием, диаметр которого увеличивается по направлению к камере 18 сгорания. Когда впускные клапаны 32 на фиг. 1 опираются на стенки соответствующих конусообразных отверстий, то впускные порты 24 закрыты. Когда впускные клапаны 32 отодвигаются от стенок конусообразных отверстий, то впускные порты 24 открыты. Выпускные порты 26 открываются и закрываются в том же порядке, что и впускные порты 24.
[0015] Как показано на фиг. 2, выступ 40, который выступает от нижней поверхности головки 16 блока цилиндров в камеру 18 сгорания, сформирован, по существу, на срединной позиции относительно открытых концов четырех портов (а именно, по существу, в центральной части верхней стенки камеры 18 сгорания). Форма выступа 40 будет подробно описана со ссылкой на фиг. 3-5. Свеча 22 зажигания вставлена и закреплена в отверстие 42 под свечу зажигания, образованное вокруг центра выступа 40, и дистальная электродная часть свечи 22 зажигания открыта для взаимодействия с внутренней частью камеры 18 сгорания.
[0016] На фиг. 3 показан вид сверху камеры 18 сгорания, если смотреть со стороны поршня 14. Как показано на фиг. 3, выступ 40 имеет форму листа гинкгового растения в поперечном сечении, и его внешняя поверхность, которая начинается в точке между двумя впускными портами 24, простирается вдоль внешних краев соответствующих седел 36 клапанов, закругляется в точках между этими впускными портами 24 и выпускными портами 26 с тем, чтобы быть направленной между двумя выпускными портами 26, и заканчивается в точке между выпускными портами 26. Ширина выступа 40 является наибольшей на участках между впускными портами 24 и выпускными портами 26, и уменьшается по направлению к его части, расположенной между двумя впускными портами 24, или его части, расположенной между двумя выпускными портами 26.
[0017] Фиг. 4 представляет собой вид поперечного сечения IV-IV, показанного на виде с фиг. 3. Если линия 42а сечения открытого конца отверстия 42 под свечу зажигания, рассматривается в качестве опорной линии, то следующее пояснение будет относиться к двум расстояниям, измеренным в осевом направлении цилиндра. А именно расстояние D1 между внешним краем 40а выступа 40, который ближе к впускным портам 24, и линией 42а сечения короче, чем расстояние D2 между внешним краем 40b выступа 40, который ближе к выпускным портам 26, и линией 42а сечения. А именно выступ 40 имеет такую форму, которая позволяет выступать в камеру 18 сгорания в большей степени на стороне впускных портов 24 по сравнению со стороной выпускных портов 26. Кроме того, следующее описание будет относиться к двум расстояниям, измеренным в направлении, перпендикулярном к оси цилиндра. А именно расстояние D3 от открытого конца 42b отверстия 42 под свечу зажигания до внешнего края 40а длиннее, чем расстояние D4 от открытого конца 42 с отверстия 42 под свечу зажигания до внешнего края 40b. А именно, выступ 40 простирается в большей степени на стороне впускных портов 24 по сравнению со стороной выпускных портов 26. Эта форма также проиллюстрирована на фиг. 3.
[0018] Фиг. 5 представляет собой вид поперечного сечения V-V, показанного на виде с фиг. 3. Если линия 40с сечения параллельна линии 42а сечения с фиг. 4 и рассматривается в качестве опорной линии, то следующее описание относится к двум расстояниям, измеренным в направлении, перпендикулярном к оси цилиндра. А именно, расстояние D5 между внешним краем 40d выступа 40 на стороне впускного порта 24 и одним конца 40е линии 40с сечения, короче, чем расстояние D6 между внешним краем 40f выступа 40 на стороне выпускного порта 26 и другим концом 40g линии 40с сечения. А именно выступ 40 выступает в камеру 18 сгорания в непосредственной близости от внешнего края седла 36 клапана вдоль внешнего края на стороне впускного порта 24.
[0019] Со ссылкой на фиг. 6-11 будут описаны эффекты, основанные на конструкции камеры 18 сгорания. На фиг. 6 показано изменение скорости потока газа вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) такта сжатия. График на фиг. 6 строится путем измерения скорости потока газа (скорость потока вблизи свечи зажигания) в камере сгорания с использованием измерительного прибора, вставленного в отверстие под свечу зажигания, в условиях эксплуатации, когда частота вращения двигателя составляет 4000 оборотов в минуту, и клапан дроссельной заслонки полностью открыт (ШОД: широко открытая дроссельная заслонка). На фиг. 6 вертикальная ось указывает измеренное значение скорости потока газа. Более конкретно измеренное значение принимает положительное (+) значение, если газ течет от стороны впуска к стороне выпуска, и принимает отрицательное значение (-), если газ течет со стороны выпуска к стороне впуска.
[0020] Кривая, обозначенная как «СТАНДАРТНАЯ» на фиг. 6, представляет собой скорость потока вблизи свечи зажигания, измеренную в сравнительной камере сгорания, не имеющей выступа 40. Более конкретно скорость потока вблизи свечи зажигания принимает положительные значения задолго до ВМТ такта сжатия, но уменьшается и принимает отрицательные значения, когда угол поворота коленчатого вала приближается к ВМТ такта сжатия. По существу, в сравнительной камере сгорания направление потока газа разворачивается в обратную сторону до ВМТ сжатия. Кривая, обозначенная как «С ВЫСТУПОМ» на фиг. 6, представляет собой скорость потока вблизи свечи зажигания в камере 18 сгорания, имеющей выступ 40. Более конкретно скорость потока вблизи свечи зажигания уменьшается, когда угол поворота коленчатого вала приближается к ВМТ такта сжатия, но по-прежнему имеет положительное значение, даже в непосредственной близости от ВМТ такта сжатия. А именно в камере 18 сгорания настоящего варианта осуществления разворот потока газа, наблюдаемый в сравнительной камере сгорания, сдерживается или предотвращается.
[0021] Направление потока газа разворачивается в обратную сторону в сравнительной камере сгорания, так как формируется ω смешанный поток, ω смешанный поток будет объяснен со ссылкой на фиг. 7-9. На фиг. 7 показано распределение воздушного потока в ВМТ такта сжатия в сравнительной камере сгорания. Как показано на фиг. 7, вихревой поток, имеющий две оси вращения, образуется в сравнительной камере 44 сгорания. Как показано на виде поперечного сечения А-А в нижней части фиг. 7, центр (центр ЦС смешивания) вышеописанного воздушного потока формируется в непосредственной близости от свечи зажигания.
[0022] Воздушный поток, как описано выше, формируется по следующей причине. А именно два потока всасываемого воздуха, вытекающего из двух впускных портов в такте впуска, соединяются вместе в один большой смешанный поток сразу после поступления в камеру 44 сгорания, и смешанный поток завихряется в осевом направлении цилиндра (вертикальное направление) в камере 44 сгорания. Если частота вращения двигателя является низкой, форма вертикального вихревого потока поддерживается. Тем не менее, по мере увеличения числа оборотов двигателя скорость вертикального вихревого потока увеличивается, и воздушный поток в направлении впуск-выпуск вокруг центра камеры 44 сгорания становится сильнее. В результате вертикальный вихревой поток разрушается во время такта сжатия и превращается в вихревой поток, имеющий две оси вращения. Так как след вихревого потока, в который преобразуется вертикальный поток, имеет форму ω (омега), если смотреть сверху камеры 44 сгорания, то вихревой поток называется « ω смешанный поток» в данной спецификации.
[0023] Фиг. 8 показывает распределение скорости воздушного потока в ВМТ такта сжатия в камере 44 сгорания. Как показано на фиг. 8, в центральной части камеры 44 сгорания скорости V воздушного потока распределены в относительно широких интервалах в направлении впуска-выпуска. С другой стороны, скорости V воздушного потока распределены в относительно узких интервалах в периферийной части камеры 44 сгорания. Это объясняется тем, что воздушные потоки концентрируются в непосредственной близости от центральной части камеры 44 сгорания и противодействуют друг другу так, что компоненты воздушного потока генерируются в направлении, перпендикулярном к направлению впуска-выпуска.
[0024] Если ω смешанный поток образуется в камере сгорания, то направление распространения пламени после зажигания отклоняется, а именно пламя распространяется неравномерно после воспламенения. Фиг. 9 показывает распространение пламени в камере 44 сгорания с течением времени. В примере, показанном на фиг. 9, момент зажигания устанавливается на ВМТ такта сжатия. Как показано на фиг. 9, пламя, инициированное в центральной части камеры 44 сгорания, распространяется в сторону боковой стенки камеры 44 сгорания (т.е. стенки ствола цилиндра), расширяясь в объеме. Однако если формируется ω смешанный поток, то газ поступает от стороны выпуска на сторону впуска и, следовательно, пламя не образуется в форме правильной окружности, а искажено в форме. Это может привести к возникновению детонации или к задержке сжигания топлива.
[0025] В связи с этим, в соответствии с конструкцией камеры 18 сгорания, имеющей выступ 40, ω смешанный поток будет образовываться с меньшей вероятностью или не будет образовываться вообще. Фиг. 10 показывает распределение воздушного потока в ВМТ такта сжатия в камере 18 сгорания. Как показано на фиг. 10, воздушные потоки в камере 18 сгорания распределены вдоль направления впуска-выпуска. Вихревой поток, образованный в камере 44 сгорания и имеющий две оси вращения, не наблюдается. Это происходит потому, что воздушные потоки, проходящие через центральную часть камеры 18 сгорания, разносятся выступом 40, чтобы перемещаться вокруг выступа 40. Как показано на виде поперечного сечения А-А в нижней части фиг. 10, центр воздушных потоков (центр ЦС смешивания) сформирован так, чтобы быть ближе к центру камеры 18 сгорания, чем к дистальному концу свечи 22 зажигания. Это происходит потому, что воздушные потоки формируются так, чтобы избежать взаимодействия с выступом 40, как показано стрелками на фиг. 10.
[0026] Фиг. 11 показывает распределение скорости воздушного потока в ВМТ такта сжатия в камере 18 сгорания. Как показано на фиг. 11, скорости V воздушного потока распределены, по существу, равными интервалами в камере 18 сгорания. Причина аналогична той причине, что описана выше со ссылкой на фиг. 10.
[0027] Со ссылками на фиг. 12-14 величина выступающей части выступа 40 будет описана ниже. Фиг. 12 показывает зависимость между величиной выступающей части выступа 40 и скоростью потока вблизи свечи зажигания. Фиг. 12 изображает график, аналогичный графику, показанному на фиг. 6. Кривая, обозначенная как «БЕЗ ВЫСТУПА» на фиг. 12, представляет собой скорость потока вблизи свечи зажигания, измеренную в сравнительной камере сгорания, не имеющей выступа 40, и подобна кривой, обозначенной как «СТАНДАРТНАЯ» на фиг. 6. В этом случае направление потока газа разворачивается до ВМТ такта сжатия. Если величина выступающей части увеличивается от «БЕЗ ВЫСТУПА», то разворот направления потока газа по-прежнему наблюдается, когда величина выступающей части равна VD1, VD2, однако, разворота направления потока газа не возникает, когда величина выступающей части равна VD3, VD4. Таким образом, разворот направления потока газа исключается, если величина VD выступа увеличивается.
[0028] Величина выступающей части на фиг. 12 определяется при помощи фиг. 13А и фиг. 13 В. Фиг. 13А представляет собой схематический вид выступа 40, а фиг. 13В представляет собой вид в поперечном сечении. Как показано в поперечном сечении С-С и в поперечном сечении D-D на фиг. 13В, расстояние между линией 42а сечения открытого конца отверстия 42 под свечу зажигания и внешним краем 40b выступа 40 на стороне выпускных портов 26, измеренного в осевом направлении цилиндра, определяется как величина VD выступа.
[0029] Фиг. 14 представляет собой вид, показывающий изменения в турбулентности воздушного потока вокруг ВМТ такта сжатия. Как показано на фиг. 14, турбулентность воздушного потока в камере сгорания уменьшается по мере увеличения величины VD выступающей части. Если турбулентность воздушного потока мала, то воздушный поток неровно или неравномерно распределен в камере сгорания, при этом неравномерное распределение воздушного потока негативно влияет на распространение пламени. Соответственно не всегда желательно просто увеличивать величину VD выступающей части выступа 40. С этой точки зрения предпочтительно установить величину выступающей части выступа 40 до такой величины, которая может устранить разворот направления потока газа в камере сгорания, но не уменьшает турбулентность воздушного потока.
[0030] Как описано выше, в соответствии с конструкцией камеры 18 сгорания ω смешанный поток будет образовываться в камере сгорания с меньшей вероятностью или не будет образовываться совсем. Соответственно искажение пламени в камере сгорания может быть скорректировано, и возникновение детонации может быть ограничено. Кроме того, уменьшение скорости сгорания топлива может быть ограничено. Таким образом, даже в том случае, когда EGR (exhaust gas recirculation - рециркуляция отработавшего газа) газ, имеющий более низкую воспламеняемость, чем свежий воздух, поступает в камеру сгорания, то такая проблема, как пропуск зажигания, произойдет с меньшей вероятностью или не произойдет вообще. Соответственно, когда двигатель 10 внутреннего сгорания оснащен EGR системой, то в двигатель 10 может быть введено большее количество EGR газа.
[0031] В то время как в описанном выше варианте выполнения выступ 40 выполнен так, чтобы окружать отверстие 42 под свечу зажигания, место, в котором выступ 40 сформирован, не ограничивается этим расположением. Фиг. 15 показывает модифицированный пример описанного выше варианта осуществления. В камере 46 сгорания, показанной на фиг. 15, выступ 48 сформирован в том месте, которое ближе к впускным портам 24, чем к отверстию 42 под свечу зажигания. Выступ 48 функционирует в качестве разделительной стенки, которая рассеивает воздушный поток, проходящий через центральную часть камеры 46 сгорания, вокруг выступа 48. Таким образом, выступ может быть сформирован в любом месте или может быть сформирован в различных формах при условии, что выступ может направлять поток воздуха, поступающий от центральной части камеры 46 сгорания в направлении выпускных портов 26, при этом обеспечивая рассредоточение воздушного потока вокруг выступа.
[0032] В описанном выше варианте осуществления изобретения выступ 40 соответствует «направляющей части» в соответствии с изобретением.