汽油直接噴射式發動機的制作方法

專利名稱：汽油直接噴射式發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機的結構。更特別地，本發明涉及一種汽油直接噴射式發動 機的結構，其具有改善了的操作性能。
背景技術：
通常而言，已經開發出了 GDI (汽油直接噴射)技術，以便改善內燃機的燃料效率 和性能。GDI式發動機技術是將燃料直接噴射到燃燒室內，而不是噴射到進氣管內。由于可以通過使用⑶I式發動機將燃料直接噴射到燃燒室內，并且產生燃料-空 氣混合物層，所以可以通過將空氣和燃料集中到火花塞周圍而產生濃縮的混合物。相應地， 與相關技術中將燃料噴射到進氣口相比，發動機能夠在相當低的空氣/燃料比之下操作， 并且壁部濕潤(wall wetting)降低，從而可以精確地控制燃料的量并改善燃料效率和性 能，因此近來越來越多地使用⑶I式發動機。已經提出了使空氣與燃料很好地進行混合并最大化地將燃料-空氣混合物集中 到火花塞周圍的多種方法，以便在較低空氣/燃料比之下平穩地操作發動機。在內燃機中，在垂直于活塞運動方向的軸線或者相對于活塞運動方向的軸線會產 生漩渦，其中前者被稱為“滾流”(tumble)，后者被稱為“渦流”(swirl)。由于空氣和燃料的混合比和集中度(concentration)取決于滾流和渦流的流動 水平，所以設計時應當對滾流和渦流進行考慮，以便改善GDI式發動機的操作性能。滾流和渦流具體又取決于活塞頂部的形狀，因此應當改進活塞頂部的設計，以便 改善GDI式發動機的操作性能。公開于本發明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明的一般背景技術的理 解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現有 技術。

發明內容
本發明的多個方面致力于提供一種汽油直接噴射式發動機的結構，其優點是改善 了 GDI式發動機的操作性能。在本發明的一個方面，所述汽油直接噴射式發動機具有將燃料直接噴射到燃燒室 內的噴射器、火花塞、進氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動力， 所述汽油直接噴射式發動機可以包括凹部，所述凹部在活塞頭上形成，并且將從所述噴射 器噴射的一些燃料流返回到所述進氣閥；以及溝槽，所述溝槽在所述凹部周圍形成。所述凹部可以形成為圓形形狀或者橢圓形形狀，并且從所述火花塞以預定距離豎直向下偏移到所述進氣閥。所述溝槽可以是沿著所述活塞頭的外圓周在所述凹部周圍形成的凹槽，其中所述 火花塞向著所述燃燒室的中心設置。所述汽油直接噴射式發動機可以進一步包括凸出部，所述凸出部在所述凹部和所 述溝槽之間形成，從所述凹部延伸到一側并且向上凸出。在本發明的另一個方面，所述汽油直接噴射式發動機具有將燃料直接噴射到燃燒 室內的噴射器、火花塞、進氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動 力，所述汽油直接噴射式發動機可以包括凹部，所述凹部在所述活塞的活塞頭上形成，以便 將從所述噴射器噴射的一些燃料流返回到所述進氣閥；以及溝槽，所述溝槽為沿著所述活 塞頭的外圓周在所述凹部周圍形成的凹槽。所述汽油直接噴射式發動機可以進一步包括凸出部，所述凸出部在所述凹部和所 述溝槽之間形成，從所述凹部延伸到一側并且向上凸出。在本發明的再一方面，所述汽油直接噴射式發動機具有將燃料直接噴射到燃燒室 內的噴射器、火花塞、進氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動力， 所述汽油直接噴射式發動機可以包括凹部，所述凹部在所述汽油直接噴射式發動機的進氣 側處的所述活塞的活塞頭上形成；以及溝槽，所述溝槽在所述凹部和所述活塞頭的外圓周 之間的所述凹部周圍形成，其中所述凹部在接合部處流體連接到所述溝槽，以便將從所述 噴射器噴射的一些燃料流沿著所述溝槽返回到所述進氣閥，所述接合部毗鄰所述活塞的邊 緣形成。所述溝槽和所凹部可以通過在兩者之間形成的凸出部而隔開，并且其中所述凸出 部從所述凹部的上表面向上延伸，其中所述凸出部局部敞開以形成所述接合部，使得所述 溝槽和所述凹部通過所述接合部流體連接，并且其中所述接合部毗鄰所述噴射器形成。所述凹部可以形成為圓形形狀或橢圓形形狀，并且所述凹部的中心從所述活塞的 中心以預定距離向著所述噴射器偏移，其中所述凸出部形成為圓形形狀或橢圓形形狀，并 且所述凸出部的中心從所述活塞的中心以預定距離向著所述噴射器偏移，其中所述凹部由 所述凸出部包圍，并且其中所述活塞的中心、所述凸出部的中心以及所述凹部的中心向著 所述噴射器依次設置。所述溝槽的梯度可以從所述接合部增大，使得設置在距離所述接合部最遠處的所 述溝槽的部分比所述接合部更高。所述火花塞可以基本設置在所述活塞的中心。如上所述，根據本發明的汽油直接噴射式發動機的結構，可以通過在所述活塞頭 上形成所述凹部并且在所述凹部周圍形成所述溝槽，從而在通常條件下使從所述噴射器噴 射的燃料在整個燃燒室中均勻地分布。進一步地，通過在所述活塞的外圓周周圍形成劇烈渦流，從而防止氣體混合物流 動離開所述火花塞，并且在所述火花塞周圍總是保持預定量的濃縮的氣體混合物，這樣就 可以改善發動機的性能，所述氣體混合物的流速在高速度高負荷操作下會增大。通過納入本文的附圖以及隨后與附圖一起用于說明本發明的某些原理的具體實 施方式，本發明的方法和裝置所具有的其它特征和優點將更為具體地變得清楚或得以闡 明。


圖1為根據本發明的示例性實施方案的汽油直接噴射式發動機的透視圖。圖2為應用于根據本發明的示例性實施方案的汽油直接噴射式發動機的活塞頭 的透視圖。圖3為圖2的俯視圖。圖4為沿著圖3中的線IV-IV所呈現的橫截面圖。圖5為沿著圖3中的線V-V所呈現的橫截面圖。應當了解，所附附圖并非按比例地顯示了本發明的基本原理的圖示性的各種特征 的略微簡化的畫法。本文所公開的本發明的具體設計特征包括例如具體尺寸、方向、位置和 外形將部分地由具體所要應用和使用的環境來確定。在這些圖形中，貫穿附圖的多幅圖形，附圖標記引用本發明的同樣的或等同的部 分。
具體實施例方式現在將對本發明的各個實施方案詳細地作出引用，這些實施方案的實例被顯示在 附圖中并描述如下。盡管本發明將與示例性實施方案相結合進行描述，但是應當意識到，本 說明書并非旨在將本發明限制為那些示例性實施方案。相反，本發明旨在不但覆蓋這些示 例性實施方案，而且覆蓋可以被包括在由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍之內 的各種選擇形式、修改形式、等價形式及其它實施方案。下面將參考附圖對本發明的示例性實施方案進行詳細描述。圖1為根據本發明的示例性實施方案的汽油直接噴射式發動機的透視圖。圖2為應用于根據本發明的示例性實施方案的汽油直接噴射式發動機的活塞頭 的透視圖。圖3為圖2的俯視圖。圖4為沿著圖3中的線IV-IV所呈現的橫截面圖。圖5為沿著圖3中的線V-V所呈現的橫截面圖。如圖1所述，根據本發明的示例性實施方案的汽油直接噴射式發動機包括燃燒 室、至少一對進氣口 100、在進氣口 100的下游設置于所述燃燒室的入口處的進氣閥101、 活塞550、在活塞550的進氣側形成的凹部(cavity) 500、將燃料從汽缸一側直接噴射到每 一個燃燒室內的噴射器300、火花塞400、執行燃燒控制的電控制單元(在下文中將其稱為 E⑶)、至少一對排氣口 200以及在排氣口 200的上游設置于所述燃燒室的出口處的排氣閥 201。在該配置中，進氣和排氣閥101和201以及進氣和排氣口 100和200在附圖中分 別為兩個，但是為便于描述，在本實施方案中只顯示一個。另外，燃燒室意指凹部500和火花塞400之間的空間。噴射器300向著燃燒室的中心形成，并且凹陷在活塞550頂部上的凹部500相對 于噴射器300的噴射方向形成。進氣口 100連接到進氣管110，并且排氣口 200連接到排氣管210。
打開/關閉進氣口 100的進氣閥101和打開/關閉排氣口 200的排氣閥201設置 在發動機的氣缸蓋之上，且位于燃燒室的上側。進氣閥101和排氣閥201例如通過具有可變閥定時函數(variablevalve timing function)的閥驅動機構而打開/關閉。同時，發動機具有與汽缸數目對應的火花塞400和噴射器300，并且至少一對火花 塞400和噴射器300可以分別設置到燃燒室。火花塞400安裝到氣缸蓋，以定位于對應的燃燒室的上部的中部。進一步地，采用側噴射型，且噴射器300安裝到氣缸蓋，以定位在延伸到燃燒室的 進氣管110的下游處。S卩，噴射器300將燃料從一側直接噴射到對應的燃燒室。同時，凹部500在活塞頭540上形成，即，在活塞550的頂部上形成，以便在火花塞 400周圍產生需要的氣體混合物層。凹部500具有大體上為橢圓形的形狀，并且優選地，中心以預定距離從燃燒室中 心偏置到進氣口 100。對于該配置，從進氣口 100流向內部的氣體混合物通過大體上毗鄰所述進氣口形 成的凹部500而返回。S卩，凹部500完全偏置到進氣閥101，并且在燃料的流動方向逐漸向上彎曲，該燃 料是從噴射器300噴射且從進氣側流動到排氣側的，也即，凹部500在活塞550的縱向方向 的垂直方向逐漸向上彎曲。進一步地，確定凹部500的底部、側部和后側的傾斜度，使得至少一些從噴射器 300噴射的燃料返回到進氣閥101。通過沿著凹部500的形狀的流動可以執行分層燃燒操作(stratifiedcombustion operation)。進一步地，形成有延伸到凹部500的前部的凸出部510。凸出部510具有大體上為橢圓形或圓形的形狀，并且優選地，中心以預定距離從 燃燒室中心向著噴射器300偏置。在活塞頭MO的圓周和凸出部510的外圓周之間沿著凸出部510的外圓周形成溝 槽520，以使其毗鄰活塞頭MO的邊緣。在本發明的示例性實施方案中，溝槽520和凹部500可以在毗鄰活塞頭MO的邊 緣的接合部560處結合。溝槽520形成為大體上為圓形的形狀，使得氣體混合物的干流由凹部500引導，并 且燃燒室外部的氣體混合物由溝槽520導出，相應地，在整個操作區域中，在火花塞400周 圍能夠恒定地產生較重的氣體混合物(heavy gas mixture)。溝槽520中的氣體混合物的 一部分可以經過接合部560流動到所述凹部內。在本發明的示例性實施方案中，溝槽520的斜面可以從接合部560增高，使得設置 在距離接合部560最遠處的溝槽520的部分570比接合部560更高。在該配置中，氣體混 合物可以沿著溝槽520流動，以便返回到進氣閥101或者接合部560，并由此在凹部500中， 在火花塞400周圍能夠恒定地產生較重的氣體混合物。因此，在壓縮沖程噴射的燃料與空氣混合，并且該混合物通過凹部500、凸出部510和溝槽520而集中到燃燒室中心，從而能夠改善燃燒效率。按照具有根據本發明的示例性實施方案的上述配置的汽油直接噴射式發動機，燃 料在分層燃燒操作時從噴射器300直接噴射到燃燒室內。進一步地，其余的氣體混合物經過在凹部500周圍形成的溝槽520而沿兩個方向 旋轉，并且再次在凹部500中集中，從而重復上述流動。因此，即使凹部500較淺，氣體混合物層也會在發動機中的火花塞400周圍分層， 從而可以利用稀少的燃料實現穩定的分層燃燒。進一步地，由于從噴射器300噴射的一些燃料通過凹部500返回到進氣閥101，所 以可以防止從噴射器300噴射的燃料到達汽缸的排氣閥側的壁部。進一步地，按照噴射器300，至少一些直接噴射到燃燒室的燃料通過在活塞550上 形成的所述凹部而返回到進氣閥101，并且與經過進氣閥101流動到內部的空氣混合。因此，即使發動機在高負荷且高速旋轉區域運行，也可以通過在進氣沖程時將燃 料直接從噴射器300噴射到燃燒室內，從而在燃燒室中產生均勻的氣體混合物層。進一步地，與相關技術相比，可以實現發動機的良好性能并減小所述凹部的厚度， 從而可以防止壓縮比減小或者活塞重量增大。 為了方便解釋和精確限定所附權利要求，術語“上”、“下”、“內，，和“外，，被用于參
考附圖中所顯示的這些特征的位置來描述示例性實施方式的特征。
前面對本發明具體示例性實施方案所呈現的描述是出于說明和描述的目的。前面 的描述并不想要成為毫無遺漏的，也不是想要把本發明限制為所公開的精確形式，顯然，根 據上述教導很多改變和變化都是可能的。選擇示例性實施方案并進行描述是為了解釋本發 明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的其它技術人員能夠實現并利用本發明的各 種示例性實施方案及其不同選擇形式和修改形式。本發明的范圍意在由所附權利要求書及 其等價形式所限定。
權利要求
1.一種汽油直接噴射式發動機，具有將燃料直接噴射到燃燒室內的噴射器、火花塞、進 氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動力，所述汽油直接噴射式發 動機包括凹部，所述凹部在活塞頭上形成，并且將從所述噴射器噴射的一些燃料流返回到所述 進氣閥；以及溝槽，所述溝槽在所述凹部周圍形成，并且將所述凹部外部的燃料引導到所述凹部或 者所述進氣閥。
2.根據權利要求1所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述凹部形成為圓形形狀或者 橢圓形形狀，并且從所述火花塞以預定距離豎直向下偏移到所述進氣閥。
3.根據權利要求1所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述溝槽是沿著所述活塞頭的 外圓周在所述凹部周圍形成的凹槽。
4.根據權利要求3所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述火花塞向著所述燃燒室的 中心設置。
5.根據權利要求1所述的汽油直接噴射式發動機，進一步包括凸出部，所述凸出部在 所述凹部和所述溝槽之間形成，從所述凹部延伸到一側并且向上凸出。
6.一種汽油直接噴射式發動機，具有將燃料直接噴射到燃燒室內的噴射器、火花塞、進 氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動力，所述汽油直接噴射式發 動機包括凹部，所述凹部在所述活塞的活塞頭上形成，以便將從所述噴射器噴射的一些燃料流 返回到所述進氣閥；以及溝槽，所述溝槽為沿著所述活塞頭的外圓周在所述凹部周圍形成的凹槽。
7.根據權利要求6所述的汽油直接噴射式發動機，進一步包括凸出部，所述凸出部在 所述凹部和所述溝槽之間形成，從所述凹部延伸到一側并且向上凸出。
8.一種汽油直接噴射式發動機，具有將燃料直接噴射到燃燒室內的噴射器、火花塞、進 氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動力，所述汽油直接噴射式發 動機包括凹部，所述凹部在所述汽油直接噴射式發動機的進氣側處的所述活塞的活塞頭上形 成；以及溝槽，所述溝槽在所述凹部和所述活塞頭的外圓周之間的所述凹部周圍形成，其中所述凹部在接合部處流體連接到所述溝槽，以便將從所述噴射器噴射的一些燃料 流沿著所述溝槽返回到所述進氣閥，所述接合部毗鄰所述活塞的邊緣形成。
9.根據權利要求8所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述溝槽和所述凹部通過在兩 者之間形成的凸出部而隔開，并且其中所述凸出部從所述凹部的上表面向上延伸。
10.根據權利要求9所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述凸出部局部敞開以形成 所述接合部，使得所述溝槽和所述凹部通過所述接合部流體連接。
11.根據權利要求10所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述接合部毗鄰所述噴射器 形成。
12.根據權利要求8所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述凹部形成為圓形形狀或 橢圓形形狀，并且所述凹部的中心從所述活塞的中心以預定距離向著所述噴射器偏移。
13.根據權利要求12所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述凸出部形成為圓形形狀或橢圓形形狀，并且所述凸出部的中心從所述活塞的 中心以預定距離向著所述噴射器偏移， 其中所述凹部被所述凸出部圍繞，并且其中所述活塞的中心、所述凸出部的中心以及所述凹部的中心向著所述噴射器依次設置。
14.根據權利要求8所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述溝槽的傾斜度從所述接 合部增大，使得設置在距離所述接合部最遠處的所述溝槽的部分比所述接合部更高。
15.根據權利要求8所述的汽油直接噴射式發動機，其中所述火花塞大體上設置在所 述活塞的中心。
全文摘要
本發明涉及一種汽油直接噴射式發動機，所述汽油直接噴射式發動機具有將燃料直接噴射到燃燒室內的噴射器、火花塞、進氣閥以及排氣閥，并且通過活塞在汽缸中的往復運動而產生動力，所述汽油直接噴射式發動機可以包括凹部，所述凹部在活塞頭上形成，并且將從所述噴射器噴射的一些燃料流返回到所述進氣閥；以及溝槽，所述溝槽在所述凹部周圍形成。
文檔編號F02F3/00GK102080604SQ201010262360
公開日2011年6月1日 申請日期2010年8月25日 優先權日2009年11月26日
發明者具泳三, 沈賢洙, 金泰善 申請人:現代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社