直接喷射火花点火式发动机 【技术领域】
本发明涉及一种直接喷射火花点火式发动机，它是用来将一燃油(油)直接喷射入一气缸内的燃烧室中，然后点燃一混合物，该混合物被制备成处于一种在火花塞电极周围呈分层的状态，更具体地说，本发明涉及一种对燃油喷雾的特性进行控制的技术，它藉助有效地利用燃烧室内的翻滚流来促进所述混合物适当分层。背景技术
按照惯例，这种类型的直接喷射火花点火式发动机都被构造得设有一高压燃油喷嘴以朝向气缸内的燃烧室，并且在一活塞顶部表面内形成有一具有预定形状的空腔，这样，从燃油喷嘴中喷出的燃油就可以先撞击在与其对置的所述空腔的一内壁表面或底面上然后被限制在所述空腔内，以围绕一火花塞电极分层。
还有这样一种发动机，它利用缸内气流，诸如燃烧室内的旋流或翻滚流将一混合物集中入一空腔内或者将其传送至火花塞电极附近。例如，如日本未经审查的专利公开公报No.11-141338中所揭示地一种缸内喷射式发动机，它可以使燃油喷射的方向与翻滚流的方向相反，藉助翻滚流的作用将趋于自所述空腔中溢出的混合物向后推以将其限制在所述空腔内，并将混合物传送至所述空腔内的火花塞电极附近，同时可以促进燃油液滴的蒸发或者其与空气的混合。
或者，如日本未经审查的专利公开公报No.11-200866中所揭示的缸内喷射火花点火式发动机那样，存在这样一种发动机，它可将已散布入空腔内的燃油朝着一火花塞传送，从而使所述燃油伴有一翻滚流，同时可藉助在所述活塞顶部表面的大致中心位置形成所述空腔并使所述空腔呈球状来抑制所述燃油附着于一活塞顶部表面，以增强翻滚流的滞留能力，此外它还可藉助使自一燃油喷射喷嘴喷出的喷雾的喷雾锥角增宽为例如70°-90°来减小燃油喷雾射程。
但是，很难说上文所提到的任何一种已有发动机能在不同载荷和旋转速度的较宽运行工况范围内使混合物适当分层。当在一完整的发动机运行工况范围内来看时，这些已有发动机仍有很大的改进余地以增强诸如藉助层状充气燃烧运行来提高燃油经济性之类的效果。具体地说，在类似于前一已有技术(日本未经审查的专利出版物No.11-141338)的、需要将混合物限制在所述空腔内的发动机中，在其内混合物可以被适当分层的发动机运行工况范围受到空腔尺寸和形状的严格限定，且事实上在其内发动机能进行分层工作的运行工况范围受到其控制图的低载和低速端上的狭窄区域的限制。因此，这种发动机只能提供很小的燃油经济性提高效果。
此外，在这种直接喷射式发动机中，由于自燃油喷射喷嘴喷出的燃油喷雾撞击的空腔的内壁表面大体上位于气缸中心线附近，从而不可避免地在燃烧初始阶段中所述内壁表面会阻碍焰芯的窜生并且会降低火焰传播性能，事实上它会劣化燃烧质量。此外，在这种发动机中，由于会导致燃油喷雾撞击在所述空腔的内壁表面或底面上，因此，会增加附着于所述壁面和其它类似物的燃油量。这样就造成不便，使得燃油经济性下降并增加了未燃尽的碳氢化合物(HC)。
例如，图35以比较的方式示出了一种按下述方式进行的测试的结果：准备好多个具有不同空腔形状的活塞，然后用实验方法、藉助直接喷射获得每一发动机的燃油经济性增长率和功率输出增长率。根据该图，在燃油经济性增长率和功率输出增长率之间有一种所谓“折衷选择(trade-off)的关系”。在其中如前一已有技术那样设有深碟形空腔的发动机(图中的点A)中，由于燃油喷雾可以被适当限制以进行分层，因此，可以增强在低载和低速时的燃油经济性增长效果，而功率输出增长效果则由于燃烧质量的下降(尤其是在发动机以较高速度运行时)而劣化。
在一种其中其顶部表面被简单地制成凹形形状的所谓“扁平活塞”(点C)中，可以增强在较高发动机速度时的功率输出增长效果，而燃油经济性增长效果则由于混合物难以在低载下适当分层而不可避免地劣化。作为一种上述两种发动机之间的中间方案，有这样一种发动机，其中，与燃油喷射喷嘴相对置的所述空腔的内壁表面具有很大的倾斜度。但是，不能以为这种类型的发动机可大大提高燃油经济性和功率输出。
接下来，对后一已有技术(日本未经审查的专利出版物No.11-200866)进行研究。看起来，当其空腔尺寸较小时，后一已有技术也会产生与前一已有技术相同的不便。另一方面，如果其空腔尺寸较大，则混合物的适当分层就会变得象前文提到的扁平活塞那样困难。具体地说，这种类型的发动机往往会将已散开进入所述空腔内的燃油传送至火花塞从而使其伴有翻滚流。但是，当增大所述空腔的尺寸时，就变得难以使散开的燃油集中起来。而且即使燃油可以集中起来，燃油也会在火花塞电极附近随着翻滚流流动和前进。因此，可藉助火花塞来点燃所述混合物的时间是非常短的。所以，不能说这种发动机可实现混合物的适当分层。本发明所揭示的内容
本发明就是针对前述问题作出的，其主要目的是：藉助对燃烧室内的燃油喷雾特性进行控制以便能在发动机进行分层充气燃烧作业时、在直接喷射火花点火发动机的一较宽运行工况范围内使混合物适当分层以提高一分层充气燃烧区的燃烧质量和时间来提高燃油经济性和功率输出。
为了实现上述目的，在本发明的解决方案中，在发动机的分层充气燃烧过程中，在气缸的压缩冲程产生一翻滚流，以使其自一火花塞电极附近流向一燃油喷射喷嘴，并且以一适当的射程来喷射燃油，以使燃油与所述翻滚流相对冲，从而可以在气缸的某一精确点火正时时将一可燃混合物保持在火花塞电极附近。
更具体地说，本发明权利要求1提供了一种直接喷射火花点火式发动机，其中，在一气缸内、在与一活塞的顶部表面相对置的燃烧室天花板处设有一火花塞，在所述燃烧室内设有一燃油喷射喷嘴以将燃油从所述燃烧室的周缘部分中喷射出来，从所述燃油喷射喷嘴中喷出的燃油在分层充气燃烧过程中在所述火花塞的电极周围分层。所述发动机具有这样一种构造，它包括：能产生一翻滚流的翻滚流产生装置，所述翻滚流在气缸的压缩冲程过程中、在所述火花塞电极和所述活塞顶部表面之间朝着燃油喷射喷嘴流动；以及燃油喷射控制装置，用来使所述燃油喷射喷嘴根据气缸的点火正时来喷射燃油，这样从燃油喷射喷嘴中喷出的燃油喷雾就与所述翻滚流相遇并在所述火花塞的点火正时、以一种可燃混合物的形式停留在所述火花塞电极附近。
采用上述构造，在发动机的分层充气燃烧过程中，在气缸的压缩冲程时，由翻滚流产生装置产生的翻滚流可朝着燃油喷射喷嘴流动，并且在该状态下，所述燃油喷射控制装置可根据气缸的点火正时来控制燃油喷射喷嘴。因此，可以使燃油从燃油喷射喷嘴中喷射出来以与翻滚流相撞击。这种燃油喷雾与翻滚流相撞击，从而可促使燃油的雾化和散开或者其与环境空气相混合，并且藉助与翻滚流相撞击而逐渐减小其行进速度以停留在火花塞电极附近而呈一种具有适当浓度的可燃混合物。以此方式，就可藉助翻滚流来控制燃油喷雾的特性，从而可使混合物围绕火花塞电极适当分层。
根据这种混合物分层，不必使燃油喷雾撞击在活塞顶部表面上。因此，可大大减少附着于活塞上的燃油附着量。此外，由于诸如在所述已有技术(日本未经审查的专利出版物No.11-141338)中所使用的那种空腔不是必需的，因此，就有可能消除所述空腔内壁表面的阻碍燃烧现象。所以，可以提高燃烧质量，由此提高燃油经济性以及功率输出性能。
而且，由于本发明不象已有技术那样对空腔的尺寸和形状有限制，因此，本发明可以在较高发动机转速下进行良好的分层充气燃烧。这样，当在一完整的发动机运行工况范围来看时，就可以大大提高燃油经济性。此外，由于如上文所提到的那样可以在气缸点火正时时将具有适当浓度的混合物保持在火花塞电极附近，因此，可以大大延长将混合物稳定点燃的时间。这样就可以使气缸点火正时的控制作业具有更大的灵活性，从而可以提供燃油经济性和功率输出。
在本发明的权利要求2中，所述火花塞的电极设置在沿着所述活塞顶部表面流动的第一部分翻滚流和沿着所述燃烧室天花板流动的第二部分翻滚流之间的中点处、位于气缸压缩冲程过程中的燃油喷射开始正时之后但在气缸点火正时之前的某一点处。采用这种设置方案，可以将火花塞电极定位在翻滚流涡旋的中心附近，由此可转入一种难以影响第一和第二部分翻滚流的状态，即，一种可以很方便地保持住所述混合物的状态。而且，由于火花塞电极被定位得远离燃烧室天花板和活塞顶部表面，因此可以提供良好的火焰传播性能。
在本发明的权利要求3中，当沿着一垂直于气缸中心线的方向来观察时，所述火花塞的电极设置成比燃油喷射喷嘴的喷孔更靠近所述活塞顶部表面。采用这种设置方案，可以确定火花塞电极的位置，并且可以获得与本发明权利要求2相同的作用和效果。
在本发明的权利要求4中，所述火花塞的电极沿着一平行于所述气缸中心线的方向自所述燃烧室的天花板凸伸出来，并且在所述燃烧室天花板和所述火花塞电极之间的距离e被设定为一满足e≥0.4d关系的值，其中，d是在气缸压缩冲程过程中、当所述气缸处于上止点时，在气缸中心线上、在所述燃烧室天花板和所述活塞顶部表面之间的距离。采用这种设置方案，可以确定火花塞电极的位置，并且可以获得与本发明权利要求2相同的作用和效果。
在本发明的权利要求5中，对于权利要求4的发动机来说，在所述燃烧室天花板和所述火花塞电极之间的距离e被设定为一满足e≥0.2d关系的值，其中，d是在气缸压缩冲程过程中、当所述气缸处于所述上止点之前的55°曲轴转角(CA)时，在气缸中心线上、在所述燃烧室天花板和所述活塞顶部表面之间的距离。采用这种设置方案，可以确定所述火花塞电极的位置并且可以获得与本发明权利要求2相同的作用和效果。
在本发明的权利要求6中，在气缸的压缩冲程过程中，当沿着从所述燃油喷射喷嘴中喷出的燃油喷雾的几何区的中心线来观察时，相对于燃油喷雾的中心线而言，所述火花塞的电极设置在比所述活塞顶部表面更靠近所述燃烧室天花板的地方。在这种情况中，当假定燃烧室内没有任何缸内气流时，燃油喷雾的几何区意味着燃油喷雾液滴区域。在本发明中，由于相对于燃油喷雾几何区的中心线而言，所述火花塞的电极设置得较靠近所述燃烧室天花板，因此，可抑制含在初始燃油喷雾内的大燃油液滴发生附着现象，由此可防止在火花塞内出现不完全燃烧的现象。
在本发明的权利要求7中，在所述气缸的压缩冲程过程中，从所述燃油喷射喷嘴中喷出的喷雾锥角是一在大约20°至60°之间范围内的值。
如果从燃油喷射喷嘴中喷出的燃油喷雾的喷雾锥角较大，则燃油喷雾藉助与翻滚流相撞击而更大幅度地扩散，这样，混合物就容易变得稀薄。另一方面，如果喷雾的喷雾锥角太小，则燃油液滴的汽化以及其与空气的混合就不能很充分，这样，就会使混合物过浓。为了解决这些问题，在本发明中，将所述气缸压缩冲程过程中、从所述燃油喷射喷嘴中喷出的喷雾锥角设定为一在大约20°至60°之间范围内的值。其结果是，滞留在火花塞电极附近的混合物就变得具有适当的浓度，从而可以保证优良的点火稳定性。
在本发明的权利要求8中，所述燃油喷射喷嘴设置成使所述燃油喷雾与在气缸压缩冲程过程中沿所述活塞顶部表面流动的翻滚流对向撞击。
采用这种设置方案，由于自燃油喷射喷嘴喷出的燃油喷雾基本上是与翻滚流对向撞击的，因此，翻滚流可以精确地调节燃油喷雾的行进速度，从而可以将可燃混合物确实可靠地滞留在火花塞电极附近。而且，由于翻滚流相对于燃油喷雾的相对速度被增大，因此，可促进燃油的汽化。
在本发明的权利要求9中，所述活塞的顶部表面形成有一空腔，当沿着所述气缸的中心线来观察时，所述空腔的长度在燃油喷雾中心线延伸方向上较长；并且所述空腔呈这样一种形式，即，沿所述气缸中心线的方向、在与所述气缸中心线相对应的位置处，使所述空腔离开所述燃烧室天花板的距离为最大。
采用这种设置方案，可以使翻滚流沿着活塞顶部表面的空腔朝着所述燃油喷雾流动。因此，翻滚流可以与燃油喷雾稳定地撞击。而且，由于可以确保在火花塞电极附近的燃烧室的容积，因此可以很方便地将混合物滞留在那里。
在本发明的权利要求10中，所述空腔的最深部分位于与所述气缸的中心线相对应的位置。采用这种设置方案，翻滚流可以很顺畅地沿着所述空腔流动，并且可以毫无破坏地得以滞留，直至气缸压缩冲程的后阶段。
在本发明的权利要求11中，所述空腔的最深部分被定位在比与所述气缸的中心线相对应的位置更靠近进气侧的位置处。通常，当燃烧室内的翻滚流较弱时，会发生这样一种现象，即，在燃烧室排气侧处、朝着活塞顶部表面流动的部分翻滚流会在活塞的向上运动的影响下衰减，这样，翻滚流的涡旋中心就会逐渐靠近排气侧。它会造成诸多不便，难以使翻滚流与燃油喷雾稳定地逐渐并且会较早破坏所述翻滚流。
相反，在本发明中，所述活塞顶部表面的空腔形成得使其最深部分被定位成比一与气缸中心线相对应的位置更靠近进气侧。因此，燃烧室的进气侧容积就变得大于其排气侧的容积，这样，可增强在燃烧室进气侧的涡流滞留能力。它可抑制涡流中心向排气侧移动，从而可以防止出现上述诸多不便。
在本发明的权利要求12中，所述活塞的顶部表面形成有一空腔，当沿着所述气缸的中心线来观察时，所述空腔可容纳所述火花塞的电极，并且还形成有一些挤气区部分，每一挤气区部分可与所述燃烧室的对置天花板相协作而产生朝着所述空腔内部流动的挤气，当沿着所述气缸的中心线来观察时，相对于燃油喷雾的中心线而言，这些挤气区部分位于所述活塞顶部表面的外部，位于所述空腔的外侧，位于至少两个自所述火花塞电极的侧向位置处。
采用这种设置方案，在气缸压缩冲程的中间阶段之后，可在位于活塞顶部表面外部内的火花塞电极的至少两侧上的各挤气区部分以及燃烧室对置天花板之间形成一挤气区。可产生一些挤气以自挤气区朝着所述空腔的内部流动。这些挤气可抑制滞留在火花塞电极附近的可燃混合物发生侧向扩散。这样就可以形成一致密的可燃混合物层，由此可增强点火稳定性和燃烧质量，并提高燃油经济性。
在本发明的权利要求13中，对于本发明权利要求12的发动机来说，当沿着所述气缸的中心线来观察时，所述空腔沿侧向的开口宽度在所述火花塞电极附近为最大。采用这种设置方案，可以使所述空腔的两侧壁尽可能远地远离火花塞电极。这样就可以避免所述侧壁干扰产生在电极附近的焰芯的窜生以及火焰传播性能的劣化。
在本发明的权利要求14中，对于权利要求13的发动机来说，当沿着所述气缸的中心线来观察时，在所述火花塞电极附近的所述空腔沿侧向的开口宽度被设定成包括一在气缸压缩冲程过程中自燃油喷射喷嘴中喷出的燃油喷雾的几何区。采用这种设置方案，可以确保沿侧向的空腔开口宽度足够大，由此肯定能获得本发明权利要求13的作用和效果。
在本发明的权利要求15中，在本发明权利要求13中的燃烧室的天花板形成有一对进气口；并且当沿着所述气缸的中心线来观察时，在所述火花塞电极附近、所述空腔沿侧向的开口宽度等于或大于该对进气口之间的中心距离。采用这种设置方案，可以保证所述空腔沿侧向的开口宽度足够大，从而肯定能获得本发明权利要求13的作用和效果。
在本发明的权利要求16中，本发明权利要求12的挤气区部分设置在所述活塞顶部表面的外部内，以朝着排气侧与其两个侧向位置形成连续，所述两个侧向位置将所述火花塞电极夹设在其间。
采用这种设置方案，可以将一挤气区形成在包括火花塞电极两侧在内的较宽区域内的活塞顶部表面的外部内。因此，自挤气区朝着所述空腔内部流动的挤气就可以将混合物流和翻滚流整个包围住。结果，可以在火花塞电极附近形成一致密的可燃混合物层，从而可以进一步增强本发明权利要求12的作用和效果。
在本发明的权利要求17中，所述活塞的顶部表面形成有一挤气区部分，所述挤气区部分与所述燃烧室的天花板相协作可产生一些挤气，从而当沿着所述燃油喷雾的中心线来观察时，在较靠近所述燃烧室天花板的那侧上，可使滞留在所述火花塞电极附近的所述可燃混合物层呈一径向减小的形式。
采用这种设置方案，在气缸压缩冲程的中间阶段之后，可以在活塞顶部表面内的挤气区部分和对置的燃烧室天花板之间形成一挤气区，并且可以产生一些挤气以从该处朝着所述空腔内部流动。这些挤气可以使滞留在火花塞电极附近的可燃混合物层呈现出一种当沿着燃油喷雾的中心线来观察时在靠近燃烧室天花板的那侧上径向减小的形式。因此，可以通过这些挤气使混合物集中在火花塞电极附近，从而形成一致密的可燃混合物层。这样就可如本发明权利要求12那样提高点火稳定性和燃烧质量。
在本发明的权利要求18中，在本发明权利要求17中的活塞顶部表面形成有一空腔，可容纳所述火花塞电极以及当沿着所述气缸的中心线来观察时滞留在所述火花塞电极附近的可燃混合物层，并且所述挤气起作用可抑制所述可燃混合物层发生扩散，这样，当它接近所述燃烧室的天花板时，可使可燃混合物层的廓形与所述空腔的侧壁相隔开，并且离开所述各侧壁有一较大的距离。
采用这种构造，可以获得如本发明权利要求17的上述作用和效果。此外，由于滞留在火花塞电极附近的可燃混合物层的廓形与空腔侧壁隔开，故可防止燃油附着于各侧壁上，并且可抑制因燃油附着而使燃油经济性下降以及排气内的未燃尽碳氢化合物的增加。
在本发明的权利要求19中，所述燃油喷射控制装置可根据与燃油喷雾对置的翻滚流的流率对通过所述燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的射程进行控制。采用这种构造，即使气缸燃烧室内的翻滚流流率发生变化，也可根据翻滚流流率的变化对燃油喷雾的射程进行控制，从而可以将可燃化合物滞留在火花塞电极附近。因此，即使发动机的运行工况变化，也能进行良好的分层充气燃烧。
在本发明的权利要求20中，本发明权利要求19中的燃油喷射控制装置可根据一曲轴的旋转速度对从所述燃油喷射喷嘴中喷出的燃油喷雾的射程进行控制。通常，气缸燃烧室内的翻滚流的流率是随着发动机曲轴的旋转速度(在下文中，也称为发动机旋转速度)而变化的。因此，如果能根据曲轴的旋转速度来控制燃油喷雾的射程，就可以根据翻滚流的流率来对其进行控制。
在本发明的权利要求21中，对于本发明权利要求19的发动机来说，设有用来对所述燃油喷射喷嘴的燃油喷射压力进行调节的燃油喷射压力调节装置，所述燃油喷射控制装置被设置成可使所述喷射压力调节装置随着燃油喷雾射程的增大来增大燃油喷射压力并且可随着燃油喷雾射程的减小来减小燃油喷射压力。
采用这种构造，燃油喷雾的射程可通过喷射压力调节装置藉助改变来自燃油喷射喷嘴的喷射压力来加以可靠的控制。而且，由于燃油喷射压力的调节具有优良的可控制性和可靠性，因此还具有很高的改变发动机运行工况的可靠性。
在本发明的权利要求22中，本发明权利要求21中的燃油喷射控制装置设置成可根据燃烧室的温度状况来对所述喷射压力调节装置的工作情况进行正确地控制，这样，即使燃油喷射量和曲轴旋转速度基本恒定，当燃烧室温度升高时，也能使燃油喷射压力变大。
通过燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的射程根据燃烧室的温度状况而变化。如果燃油喷射量(发动机载荷)或曲轴的旋转速度变化，燃烧室的温度状况将变化，并且还会根据发动机的预热状况或者排气再循环的存在/不存在而变化。举例来说，在发动机预热之后，抽吸在燃烧室内的进气的温度与完成预热之前相比变得较高，并且燃烧温度还会在预热之后升高，从而会使燃烧室的温度变得更高。而且，排气温度随着燃烧室温度的升高而变高。在排气的再循环处，进气温度也会在排气的高温影响下而升高。结果，促进了燃油的汽化，这样，燃油喷雾的射程就呈现出减小的趋势。
为了解决上述问题，在本发明中，即使发动机的旋转速度和载荷状况保持恒定，也能根据燃烧室的温度状况来校正燃油喷射压力。因此，可防止燃油喷雾射程发生变化，并且可以稳定地控制燃油喷雾的特性。
在本发明的权利要求23中，本发明权利要求19的燃油喷射喷嘴设有一用来对燃油喷雾的喷雾锥角进行调整的可变喷雾锥角机构，所述燃油喷射控制装置设置成可使所述可变喷雾锥角机构随着燃油喷雾射程的增大来减小燃油燃油喷雾的喷雾锥角并且可随着燃油喷雾射程的减小来增大燃油喷雾的喷雾锥角。以此方式，就可以通过可变喷雾锥角机构藉助改变燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的喷雾锥角来可靠地控制燃油喷雾的射程。
在本发明的权利要求24中，本发明权利要求19的所述燃油喷射控制装置设置成可根据曲轴旋转速度的增大来增大通过所述燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的射程一直到曲轴的旋转速度到达一预定值为止，并且当曲轴旋转速度到达或超过所述预定值时可抑制所述射程的增大。此外，发动机还设有：用来使所述翻滚流的流率可变的可变翻滚流装置；以及用来对所述可变翻滚流装置进行操控的翻滚流控制装置，以便当曲轴旋转速度到达或超过所述预定值时抑制与所述曲轴旋转速度增大相对应的所述翻滚流流率的增大。
当发动机的曲轴的旋转速度增大而使翻滚流的流率到达或超过预定值时，如果燃油射程也相应增大，则燃油喷雾和翻滚流之间的撞击就变得非常猛烈。它会导致混合物向周围扩散从而使分层度降低这样一个麻烦。为了解决该问题，在本发明中，这种当撞击变得极其猛烈时的旋转速度可通过实验而获得并加以预先确定，当发动机旋转速度到达或超过该预定值时，可抑制翻滚流流率增大以及燃油喷雾射程的增大。以此方式，可防止如上文提到的混合物过度扩散。
在本发明的权利要求25中，本发明权利要求24中的所述可变翻滚流装置包括一用来改变流入所述燃烧室内的进气的流动状况的进气气流控制阀。采用这种构造，可以通过进气气流控制阀藉助改变流入燃烧室内的进气气流的流动状况来对燃烧室内的翻滚流的流率进行可靠控制。
在本发明的权利要求26中，本发明权利要求24的所述可变翻滚流装置是一用来改变所述进气阀和排气阀至少其中之一的阀正时的可变阀正时机构。采用这种构造，可通过可变阀正时机构藉助改变进气阀和排气阀的至少其中之一的阀正时来对燃烧室内的翻滚流的流率加以可靠的控制。
在本发明的权利要求27中，本发明权利要求24的所述翻滚流控制装置可根据所述燃烧室的温度状况对所述可变翻滚流装置的工作进行正确地控制，这样，即使所述燃油喷射量和所述曲轴的旋转速度基本恒定，当所述燃烧室的温度较高时，也能使所述翻滚流的流率较低。
通过燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的射程可根据燃烧室的温度状况而变化。如果燃油喷射量(发动机载荷)或曲轴的旋转速度变化，燃烧室的温度状况将变化，并且还会根据发动机的预热状况或者排气再循环的存在/不存在而变化。举例来说，在发动机预热之后，抽吸在燃烧室内的进气的温度与完成预热之前相比变得较高，并且燃烧温度还会在预热之后升高，从而会使燃烧室的温度变得更高。而且，排气温度随着燃烧室温度的升高而变高。在排气的再循环处，进气温度也会在排气的高温影响下而升高。结果，促进了燃油的汽化，这样，燃油喷雾的射程就呈现出减小的趋势。
为了解决上述问题，在本发明中，即使发动机的旋转速度和载荷状况保持恒定，也能根据燃烧室的温度状况来校正与燃油喷雾射程相平衡的翻滚流的流率。因此，即使如上文提到的那样，燃油喷雾射程发生变化，也能消除伴生的不利效果，并且可以稳定地控制燃油喷雾的特性。
接下来，本发明的权利要求28旨在提供一种直接喷射火花点火式发动机，其中，在一气缸内、在与一活塞的顶部表面相对置的燃烧室天花板处设有一火花塞，在所述燃烧室内设有一燃油喷射喷嘴以将燃油从所述燃烧室的周缘部分中喷射出来，从所述燃油喷射喷嘴中喷出的燃油在分层充气燃烧过程中在所述火花塞的电极周围分层。在这种发动机中，所述火花塞设置成使所述火花塞的电极沿着一平行于所述气缸中心线的方向自所述燃烧室的天花板凸伸出来，并且在所述燃烧室天花板和所述火花塞电极之间的距离e具有一满足e≥0.4d关系的值，其中，d是在气缸压缩冲程过程中、当所述气缸处于上止点时，在气缸中心线上、在所述燃烧室天花板和所述活塞顶部表面之间的距离。而且，所述燃油喷射喷嘴设置成使从其中喷出的喷雾锥角具有一在大约20°至60°之间范围内的值，并且从其中喷出的燃油喷雾的中心线相对于一垂直于所述气缸中心线的假定平面具有一大约25°至40°范围内的倾斜角。此外，所述发动机具有这样一种构造，它包括：能产生一翻滚流的翻滚流产生装置，所述翻滚流在气缸的压缩冲程过程中、在所述火花塞电极和所述活塞顶部表面之间朝着燃油喷射喷嘴流动；以及燃油喷射控制装置，用来根据所述翻滚流的流率对通过所述燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的射程进行控制，并且可以使所述燃油喷射喷嘴喷射出与所述翻滚流相撞击的燃油。
采用上述构造，如本发明权利要求1那样，在发动机的分层充气燃烧过程中，燃油喷射控制装置可以使燃油喷射喷嘴顶着一在气缸压缩冲程过程中自中心朝燃烧室周缘流动的翻滚流喷射出燃油喷雾，并且可根据翻滚流强度来控制燃油喷雾的射程。以此方式，可以藉助所述翻滚流来控制燃油喷雾的特性，从而可以使混合物在火花塞电极附近适当分层。因此，可以扩大所述发动机的分层充气燃烧区，由此可大大提高燃油经济性。此外，由于混合物可以被滞留在火花塞电极附近，因此可使对气缸点火正时的控制具有更大的灵活性，由此可提高燃油经济性和功率输出。
在这种情况中，由于自燃油喷射喷嘴喷出的燃油喷雾的中心线相对于一垂直于所述气缸中心线的假定平面具有一大约25°至40°范围内的倾斜角，并且从其中喷出的燃油喷雾的喷雾锥角是一在大约20°至60°范围内的值，因此，可以使燃油喷雾与翻滚流大致反向地有效撞击，而基本上不会使燃油喷雾附着于活塞顶部表面。所以，翻滚流可以有效促进燃油的汽化并对燃油喷雾的特性进行精确的控制，从而可以使滞留在火花塞电极附近的混合物的浓度非常适当。
而且，由于，火花塞电极自燃烧室天花板凸伸出来，并且位于翻滚流涡流中心附近，因此，可以延长混合物滞留在所述电极附近的时间，从而可进一步高对于点火控制的灵活性，并改善产生在所述电极附近的焰芯的火焰锋的传播性能。它还能进一步提高燃油经济性和功率输出。
在本发明的权利要求29中，本发明权利要求28中的发动机还包括：用来使所述翻滚流的流率可变的可变翻滚流装置；以及用来对所述可变翻滚流装置进行操控的翻滚流控制装置，这样可使所述气缸的压缩冲程过程中的翻滚比落在一自大约1.1至2.3的范围内。
当藉助本发明权利要求28中的燃油喷射控制装置、根据翻滚流的流率来控制燃油喷雾的射程时，如果它们太大，即使彼此相互平衡，燃油喷雾仍会在它们猛烈的撞击下向周围扩散从而不能使混合物适当分层。为了解决该问题，在本发明中，藉助翻滚流控制装置来对可变翻滚流装置的工作情况进行控制，这样，就可使燃烧室内的翻滚比保持在大约1.1至2.3之间的范围内。以此方式，可以象本发明权利要求21那样防止燃油喷雾出现如上文中提到的过度扩散现象。
在本发明的权利要求30中，本发明权利要求28中的所述发动机还包括：用来对所述燃油喷射喷嘴的燃油喷射压力进行调节的喷射压力调节装置，以及所述燃油喷射控制装置可对所述喷射压力调节装置的工作情况进行控制，以使燃油喷射压力落在自大约3兆帕至13兆帕的范围内。
当藉助本发明权利要求28的燃油喷射控制装置、根据翻滚流的流率来控制燃油喷雾的射程时，如果它们太大，即使彼此相互平衡，燃油喷雾仍会在它们猛烈的撞击下向周围扩散从而不能使混合物适当分层。为了解决该问题，在本发明中，来自燃油喷射喷嘴的燃油喷射压力可藉助喷射压力调节装置来调节以落在大约3兆帕至13兆帕的范围内。以此方式，可以防止发生如上文提到的燃油喷雾过度扩散，同时还可以将燃油喷雾的雾化特性以及其它特性很好地保持在翻滚流流率不会过高的范围内。
如至此所描述的那样，根据本发明权利要求1所述的直接喷射火花点火式发动机，在其分层充气燃烧过程中，燃油喷雾特性可藉助一翻滚流来加以控制，而无需将已在气缸压缩冲程由燃油喷射喷嘴喷出的燃油限制在所述空腔或活塞等内。其结果是，可以使混合物在火花塞附近适当分层，而与发动机的运行工况无关。这样就可提高燃烧质量，从而可提高燃油经济性和功率输出性能，延长分层充气燃烧区，由此能大大提高在一完整的发动机运行工况范围内的燃油经济性。
根据权利要求2至5中每一权利要求所述的本发明，由于优化了火花塞电极的位置，因此，可提高点火稳定性和混合物的其它性能，从而可充分地呈现出本发明权利要求1的效果。
根据本发明权利要求6，由于火花塞电极被定位得远离主要来自燃油喷射喷嘴的燃油喷雾几何区的中心线，因此可抑制大的燃油液滴附着于所述电极，从而可避免出现火花塞不完全燃烧的现象。
根据本发明的权利要求7，由于优化了通过燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的喷雾锥角，因此可使火花塞电极附近的混合物的浓度状况最优化，由此充分地呈现出本发明权利要求1的效果。
根据本发明的权利要求8，由于优化了自燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的方向，因此，可以藉助翻滚流来有效地控制燃油喷雾的特性，同时可以促进燃油喷雾汽化。这样就可充分呈现出本发明权利要求1的效果。
根据本发明的权利要求9，由于活塞的顶部表面形成有一具有适当形式的空腔，因此，翻滚流可以与燃油喷雾稳定地撞击，并且可以很方便地使混合物滞留在火花塞电极附近。这样就可充分呈现出本发明权利要求1的效果。
根据本发明的权利要求10，空腔的截面变得较适当，因此，可提高翻滚流的滞留能力。
根据本发明的权利要求11，即使燃烧室内的翻滚流相对较弱，也能减小活塞向上运动的效果。这样就可增强翻滚流的滞留能力。
根据本发明的权利要求12，相对于燃油喷雾中心线自两侧向火花塞电极流动的各挤气可抑制滞留在火花塞电极附近的可燃混合物发生扩散，从而可提高点火稳定性和燃烧质量。
根据权利要求13至15中每一权利要求所述的本发明，由于空腔的内壁与火花塞电极尽可能远隔开，因此可避免各内壁干扰焰芯的窜生以及火焰传播性能的劣化。
根据本发明的权利要求16，自挤气区朝着空腔内部流动的挤气可将混合物流等包围住，可在火花塞电极附近形成一致密的可燃混合物层，从而可以进一步提高本发明权利要求12的效果。
根据本发明的权利要求17，挤气可形成一致密的可燃混合物层，该混合物在靠近火花塞电极附近的燃烧室天花板的那一侧上呈现出径向减小的形式。这样就能象本发明权利要求12那样提高点火稳定性和燃烧质量。
根据本发明的权利要求18，可以获得如本发明权利要求17所获得的效果。此外，还可以防止燃油附着于设置在活塞顶部表面内的空腔的侧壁上。这样即可抑制燃油经济性下降以及排气内的未燃尽碳氢化合物的增加。
根据本发明的权利要求19，由于可根据与燃油喷雾对向的翻滚流的流率来控制通过燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的射程，因此，即使发动机运行工况改变，也能通过翻滚流藉助燃油喷雾的特性来使混合物适当分层。
根据本发明的权利要求20，由于可根据曲轴的旋转速度来对通过燃油喷射喷嘴的燃油喷雾射程进行控制，因此，可以根据翻滚流的流率来控制燃油喷雾射程。
根据本发明的权利要求21，燃油喷雾的射程可通过喷射压力调节装置、藉助改变来自燃油喷射喷嘴的喷射压力来加以可靠地控制。
根据本发明的权利要求22，即使燃烧室的温度状况改变，也能根据燃烧室的温度状况、藉助校正燃油喷射压力来稳定地控制燃油喷雾特性。
根据本发明的权利要求23，燃油喷雾的射程可通过可变喷雾锥角机构、藉助改变来自燃油喷射喷嘴的燃油喷雾的喷雾锥角来加以可靠地控制。
根据本发明的权利要求24，可以在燃油喷雾和翻滚流的撞击变得极其猛烈之前藉助抑制翻滚流流率的增大以及燃油喷雾射程的增大来防止混合物过度扩散。
根据本发明的权利要求25，燃烧室内的翻滚流的流率可通过进气气流控制阀、藉助改变流入燃烧室内的进气的流动状况来加以可靠控制。
根据本发明的权利要求26，燃烧室内的翻滚流的流率可通过可变阀正时机构、藉助改变进气阀和排气阀其中之一来加以可靠控制。
根据本发明的权利要求27，即使燃烧室的温度状况改变，也能根据燃烧室的温度状况、藉助校正翻滚流流率来消除与燃油喷雾射程相平衡的燃油喷雾射程的伴生变化。因此，可以稳定地控制燃油喷雾的特性。
根据本发明的权利要求28的直接喷射火花点火式发动机，如权利要求1那样，可以提供良好的分层充气燃烧，从而可以提高燃油经济性以及功率输出，可以放大分层充气燃烧区，由此可大大提高燃油经济性，并且可以提高对点火正时控制的灵活性，由此可进一步提高燃油经济性以及功率输出。此外，由于优化了自燃油喷射喷嘴喷出的燃油喷雾的方向和喷雾锥角以及火花塞电极的位置，因此，可防止燃油附着于活塞顶部表面，并且可进一步提高燃烧质量，由此可尽可能多地提高燃油经济性和功率输出。
根据本发明的权利要求29，由于发动机气缸的燃烧室内的翻滚比被设定在一大约1.1至2.3的范围内，因此，可以防止燃油喷雾过渡扩散，由此可提高点火稳定性。
根据本发明的权利要求30，由于燃油喷射喷嘴的燃油喷射压力被设定在大约3兆帕至13兆帕的范围内，因此，可防止燃油喷雾过度扩散，从而可提高点火稳定性，同时还可保持良好的雾化特性以及其它燃油特性。附图简述
图1是一示出了在用于本发明实施例1的直接喷射火花点火式发动机内的气缸的点火正时、滞留在一火花塞电极附近的混合物的状态的视图。
图2是一示出了所述发动机的整个结构的示意图。
图3是一示出了一活塞顶部表面、进气口、火花塞和一喷嘴的布置方案的立体图。
图4是一曲线图，它示出了从所述喷射器中喷出的燃油喷雾的射程和喷雾锥角之间的示例性关系。
图5示出了燃油供给系统的结构的示意图。
图6是一曲线图，它示出了一示例性控制图，其中设定了一些可使发动机处于分层进气燃烧状态和均质充气燃烧状态的工作区。
图7(a)是一示出了所述活塞结构的俯视图，图7(b)是一沿线b-b截取的剖视图，图7(c)是一沿线c-c截取的剖视图。
图8是一示意图，它示出了当沿着气缸的中心线观察时、在活塞顶部表面的空腔、翻滚流和燃油喷雾之间的位置关系。
图9是一示出了从所述喷嘴中喷出的燃油喷雾的几何区域、中心线和喷雾锥角的视图。
图10(a)是一示出了燃油喷雾的喷雾锥角的示意图，图10(b)是一示出了燃油喷雾射程的示意图。
图11是处于气缸的喷油正时的、与图1相对应的视图。
图12是一示出了因燃油喷雾的中心线变化而引起的燃油喷雾特性变化的示意图。
图13是一曲线图，它示出了在一与燃油喷雾中心线变化相对应的上止点附近、在所述火花塞电极周围的局部空燃比的变化。
图14是一曲线图，它示出了在燃油喷雾中心线变化与附着于活塞顶部表面的燃油附着量之间的相互关系。
图15是一曲线图，它示出了在火花塞电极周围的局部空燃比变化与燃油喷雾的喷雾锥角变化之间的相互关系。
图16示出了当燃油喷雾的喷雾锥角约为20°时的混合物的状态。
图17示出了当燃油喷雾的喷雾锥角约为60°时的混合物的状态。
图18示出了当所述活塞顶部表面形成有一柠檬形空腔时的混合物的状态。
图19示出了当与处于气缸点火正时的翻滚流相比较时的所述火花塞电极的位置。
图20是一曲线图，它示出了在所述火花塞电极的凸伸量与所述翻滚流的流率之间的相互关系。
图21是一曲线图，它示出了在所述火花塞电极的凸伸量与燃烧变动率之间的相互关系。
图22是一曲线图，其中，火花塞电极的凸伸百分比范围是根据气缸的喷油正时的变化来设定的。
图23示出了在一燃烧室内、所述翻滚流和燃油喷雾彼此相互平衡时对流量分配进行CFD分析的分析结果。
图24(a)示出了翻滚流与燃油喷雾适度撞击时的混合物的状态，图24(b)示出了撞击非常强烈时的混合物的状态。
图25分别示出了翻滚流流率和燃油喷雾射程根据发动机旋转速度所作的变化。
图26是一示出了燃油喷雾射程和燃油喷射压力之间相互关系的曲线图。
图27示出了一变型的、与图25相对应的曲线图。
图28是一种翻滚比测量装置的结构的示意图。
图29(a)是一曲线图，它示出了燃烧室温度状况的变化与进气温度变化以及燃油喷雾射程变化的相互关系，图29(b)是一曲线图，它示出了燃烧室温度状况的变化与燃油喷射压力变化以及燃油喷雾射程的伴生变化之间的相互关系。
图30是一与图1相对应的、在气缸进气冲程时的视图。
图31是与一种传统型直接喷射式发动机相比、在发动机低速旋转时、在发动机载荷与燃油经济性增长率之间、在发动机载荷与燃油消耗率之间以及在发动机载荷与HC排放率之间的相互关系的曲线图。
图32是与图31相对应的、发动机中速旋转时的曲线图。
图33是与图7相对应的、本发明实施例2的视图。
图34示意性地示出了藉助改变阀正时来控制翻滚流流率的本发明另一实施例。
图35是一曲线图，它示出了在一种已有的直接喷射式发动机中，在功率输出增长率和燃油经济性增长率之间的折衷关系。
图36示意性地示出了一形成在实施例1中的活塞顶部表面和燃烧室天花板之间的挤气区。
图37是一示意图，它示出了当沿着气缸的中心线来观察时对燃烧室一横截面内、接近气缸点火正时的流量分配进行CFD分析的分析结果。
图38是图36的对应示意图，它是当从喷射器侧进行观察时所述燃烧室的纵向剖视图。
图39示出了根据实施例1的第二变型的、图25的对应曲线图。
图40示出了根据本发明实施例3的、图7的对应视图。
图41是一示意图，它示意性地示出了在自气缸压缩冲程的早期阶段至中间阶段期间、一翻滚流涡流的中心是如何随着活塞的向上运动而移动的。
图42示出了在气缸压缩冲程的早期阶段至中间阶段期间流量分配变化的CFD分析结果。
图43示出了在实施例3的活塞的情况中、与图41相对应的示意图。
图44示出了根据本发明另一实施例的、图7的对应示意图，其中，所述活塞顶部表面内的空腔的底面是平整的。本发明的最佳实施例
下面将结合附图对本发明的各实施例进行描述。(实施例1)
图2示出了一种根据本发明实施例1的、直接喷射火花点火式发动机1的整个结构。这种发动机1包括一气缸体3，其中设有多个呈直线排列的气缸2、2...(图中仅示出了一个气缸)和一设置在所述气缸体3上的气缸盖4。在该图中，一活塞5安装在每一气缸2内，用来作垂直往复运动。一燃烧室6形成在气缸2内的活塞5和气缸盖4之间。一曲轴7可旋转地支承在气缸体3内的活塞5下方，曲轴7和活塞5通过一连接杆8而彼此相连。在曲轴7的一侧，设有一电磁控制式曲轴转角传感器9，用来对曲轴7的旋转角度进行检测。
如以放大方式示出的图3所示，每一气缸2的天花板均形成有两个基本上自其中部延伸至气缸盖4的下端面附近的斜面，由此形成了一个所谓“单坡屋顶式”的燃烧室6，所述燃烧室呈屋顶状，从而可以使所述斜面彼此相互倚靠。两个进气口10和两个排气口11分别形成在所述两个斜面上。进气阀12、12和排气阀13、13设置在所述进气口和排气口的相应敞口端上。两个进气口10、10均自燃烧室6笔直且倾斜地向上延伸并且在发动机1的一侧(图2中的右手侧)上彼此相互独立地敞口，而两个排气口11、11在中途相遇的一起，然后基本水平地延伸，并最终在发动机1的另一侧(图2中的左手侧)上敞口。
进气阀12和排气阀13藉助两个在气缸盖4内侧枢转的凸轮轴(未示)以一种可沿着它们阀轴线的方向被压紧的方式敞口。这些凸轮轴藉助各自的正时皮带与曲轴7同步旋转，这样，进气阀12和排气阀13就可以在每一气缸2的每一预定正时打开。用来在预定角度范围内、连续地改变相对于曲轴7的相位的已知型可变配气正时机构14、14分别与所述两个凸轮轴相连。所述可变配气正时机构14、14可独立地改变进气阀12和排气阀13各自的打开/关闭正时。
此外，如图3所示，一火花塞16枢转在燃烧室6的上部，从而可以被四个进气阀12和排气阀13所环绕。一位于火花塞16的末端的电极被定位在一自燃烧室6的天花板凸伸一预定距离的位置处。另一方面，一点火电路17(仅在图2中示出)与火花塞16的近端相连以在每一气缸2的预定点火正时将电传导至火花塞16。形成燃烧室6底部的活塞5顶部表面呈一种与燃烧室6的天花板相对应的形式，并且其中部设有一柠檬形空腔5a。
在燃烧室6的周缘处，设有一喷射器(燃油喷嘴)18，以便夹设在两个进气口10、10之间。该喷射器18是一种已知的涡流式喷射器，用来通过一位于其末端的喷嘴孔、沿着喷射器18的轴线延伸的方向将燃油以一种中空谷粒(corn)的方式涡流地喷射出来。采用这种涡流式喷射器18，当喷油压力增大时，燃油喷雾的射程也可根据该压力的增大而增大。此外，如图4中的例子所示，当喷雾锥角增大时，燃油喷雾射程趋于变得越来越小。相反，当喷雾锥角减小时，燃油喷雾射程趋于变得越来越大。应予指出的是，喷射器18可以设有一可变机构(可变喷射角机构)，它可以改变燃油涡流成分的强度，这样，所述可变机构就可以工作以调节燃油的涡流成分，由此改变燃油喷雾的喷雾锥角。
一为所有气缸2、2...所共有的燃油分配管19与喷射器18的近端相连，以对已从燃油供给系统20中供送出来的高压燃油进行分配。更具体地说，所述燃油供给系统20被构造成例如如图5(a)所示的那样，其中，自燃油管道22的上游至下游以以下次序设有一低压燃油泵23、一低压调节器24、一燃油滤清器25、一高压燃油泵26和一高压调节器27，所述燃油管道连通在燃油分配管19和燃油箱21之间。
藉助低压调节器24对已藉助低压燃油泵23从燃油箱21中泵送出来的燃油进行压力调节，藉助燃油滤清器25对其进行过滤，然后以一定压力送入高压燃油泵26。高压燃油泵26和高压调节器17各自通过一回油通道29与燃油箱21相连，以便藉助使一部分已由高压燃油泵26增大压力的燃油通过回油通道29向燃油箱21回流，同时藉助高压调节器27对燃油的流率进行控制来对供送至燃油分配管19的燃油进行调节使其处于适当的压力状态下(例如，在分层充气燃烧工作过程中，基本上为3兆帕至13兆帕，最好是为4兆帕至7兆帕)。回油通道29设有一低压调节器28，用来对向燃油箱21回流的燃油的压力状态进行调节。因此，在燃油供给系统20中，高压燃油泵16和高压调节器28就构成了一可用来对喷射器18的喷油压力进行调节的喷油压力调节装置。
应予指出的是，燃油供给系统20的构造并不受到图5(a)所示构造的限制，高压调节器27可以从所述系统中省去，例如如图5(b)中示出的燃油供给系统20’的情况。在这种情况中，利用一可在一较宽范围内改变燃油排放量的电动机控制式高压泵29，藉助对自电动机控制式高压泵29流向燃油排放管19的燃油的排放量进行可变地调节，可以对燃油的压力状态加以控制。
如图2所示，与每一气缸2的进气口10、10连通的进气通道30与发动机1的一侧面相连。该进气通道30可将已被过滤通过一空气滤清器(图中未示)的进气供送至发动机1的燃烧室6，其中，自进气通道30上游至下游以以下次序设有一用来对吸入发动机1内的进气量进行检测的热线式空气流量传感器31、一用来对进气通道30进行节流的电控节流阀32以及一减震筒33。所述电控节流阀32没有与一加速踏板(图中未示)机械连接，而是可藉助一电控传动电动机而被驱动作打开和关闭运动从而运动至一所需的阀位置。
位于减震筒33下游的进气通道30形成为一些被分支而用于每一气缸的独立通道，每一独立通道的下游端又被进一步分支而形成两个与各自进气口10、10相连通的通道。同样如图3所示的那样，在两个进气口10、10的上游侧上，设有进气气流控制阀34，用来对燃烧室6内的一翻滚流的流率进行控制，并且可例如藉助一步进电机(仅在图3中示出)而被移动至打开和关闭位置。每一进气气流控制阀34、34均可藉助部分地切除一圆形蝶形阀而形成，在本实施例中，是藉助从一阀杆34a切去位于其下方的一部分而形成的。当进气气流控制阀34关闭时，进气只能在所述切除部分的下游流动以便在燃烧室6内产生一强烈的翻滚流。另一方面，当进气强烈控制阀34打开时，进气也可流动通过那些除了所述切除部分之外的部分，从而可以逐渐减弱所述翻滚流的强度。
用来在燃烧室6内产生翻滚流的翻滚流产生装置由进气口11、11构成。所述翻滚流产生装置可以产生一翻滚流T，所述翻滚流可以在气缸2的压缩冲程过程中、在火花塞16的电极和活塞6的活塞顶部表面之间朝着喷射器18流动，这将在下文中予以描述。而且，一可以改变翻滚流的流动速率的可变翻滚流装置由进气气流控制阀34和步进电机35构成。应予指出的是，进气口10和进气气流控制阀34的形式并不受到上文所描述的限制。例如，进气口可以是一种所谓的共用口，其中，其流动通道在上游侧上相互结合在一起。在这种情况中，进气气流控制阀的形式可以根据一与所述共用口的横截面相对应的蝶形阀而定，并且可以如首次提到的进气气流控制阀那样藉助部分切除蝶形阀而获得。
一用来将废气(排气)从燃烧室6中排放出去的排气通道36与发动机1的另一侧面相连。排气通道36的上游端构成了一排气歧管37，它被分支供每一歧管2使用，并且与排气口11相连通。一用来对排气中的氧气浓度进行检测的线性氧气传感器38设置在排气歧管37的集气管部处。线性氧气传感器38可根据排气内的氧气浓度对空气燃油比进行检测。采用这种传感器，在一包括理论空气燃油比的空气燃油比预定范围内可以获得与氧气浓度呈线性的功率输出。
排气管39的上游端与排气歧管37的合流部相连，而其下游端则与一用来净化所述排气的催化剂40相连。所述催化剂40是一种NOx吸收还原型催化剂，用来吸收具有高氧气浓度的排气的大气，同时还可以排放出氧气浓度降低的、经吸收的NOx并且对排气进行还原性地(reductively)净化，并且尤其是理论空气燃油比附近可呈现出类似于所谓3通催化转化器的高排气净化性能。此外，为了确定催化剂40的退化状况，一可从其理论空气燃油比上的边界起对其输出逐步转换的已知型λ氧气传感器41设置在催化剂40的下游侧上。应予指出的是，3通催化转化器还可以设置成与NOx吸收还原型催化剂40成一直线。
而且，用来使流经排气通道36的部分排气再循环流至进气通道30的废气回流(EGR)通道43的上游端与排气管39的上游部相连。EGR通道43的下游端与位于节流阀32和减震筒33之间的进气通道30的一部分相连。在EGR通道43内，靠近其下游端，设有一能进行打开控制的电控EGR阀44，用来对通过EGR通道43的排气的再循环量进行控制。
可变阀配气机构14、火花塞16的点火电路17、喷射器18、燃油供给系统20的高压调节器27、电控节流阀32、进气空气控制阀34、电控EGR阀44等由一发动机控制设备(在下文中称为ECU)对它们的工作情况进行控制。另一方面，ECU 50可接收来自于至少所述曲轴转角传感器9、气流传感器31、线性氧气传感器38和λ氧气传感器41的输出信号，并且还可接收来自于一用来对加速器冲程进行检测的加速器开度传感器51的输出信号，以及来自于一用来对发动机1的旋转速度(曲轴7的旋转速度)进行检测的旋转速度传感器52的输出信号。
ECU 50可以以来自于每一传感器的信号输入为基础，根据发动机1的工作状况，对进气阀12、排气阀13的阀正时、喷射器18的喷油量、喷射定时和喷射压力、由节流阀32调节的进气量、由进气气流控制阀34调节的翻滚流强度、由EGR阀44调节的排气再循环速率等进行控制。
更具体地说，如图6中的例子所示，在发动机1的预热状况下，在低载和低速端上的一调整工作区A是一分层充气燃烧区。在该区中，发动机1进入一分层充气燃烧模式，在该模式中，在气缸2的压缩冲程的某一预定时间段期间(例如，在分层充气燃烧作业过程中的压缩冲程处，在上止点之前(BTDC)的40°至140°的范围内)，藉助从喷射器18中喷射出燃油，对一种混合物进行燃烧，使其以分层形式汇聚地存在于火花塞16附近。在这种分层充气燃烧模式中，节流阀32被设定在一相对较大的打开状态，以减小发动机1的进气损失。与此同时，燃烧室6的平均空气燃油比比理论空气燃油比(例如，A/F＞25)更倾斜。
另一方面，与所述分层充气燃烧区不同的是，区域B是一均质燃烧区。在该区中，发动机1进入一燃烧模式，其中，在气缸2的进气冲程过程中，燃油由喷射器18喷射出来以便与一进气充分混合，这样，在燃烧室6内就形成了均质混合物，随后使其燃烧。在这种均质燃烧模式中，在大多数的运行工况下，对喷油量、节气门开度等加以控制，从而可以使所述混合物的空气燃油比基本上等于理论空气燃油比(A/F14.7)。尤其是在满载运行工况下，对空气燃油比加以控制，使其高于(例如，约为A/F＝13)理论空气燃油比，从而可以获得与高负载相对应的大功率输出。
此外，在发动机1的预热状况中，在图中斜线所示的区域内，EGR阀44是打开的，以通过EGR通道43将部分排气再循环至进气通道30。与此同时，EGR阀44的打开程度可根据发动机1的负载状态和旋转速度来加以控制，这样，在较高的负载下，至少可以使废气回流率(在下文中也称之为EGR率)较小。以此方式，NOx生成物就可以由排气的反射来抑制，而不会削弱发动机1的燃烧稳定性。此外，在发动机冷机运转期间，为了能给确保燃烧稳定性以优先权，在运转状态的整个范围内，使发动机1以均质燃烧模式运转，并且使EGR阀44完全关闭。
例如，可以将通过EGR通道43再循环至进气通道30的排气再循环量与新鲜空气量的比值称为EGR率。正如本文中所采用的，新鲜空气指的是藉助将再循环排气、可燃气体以及来自于吸入气缸2内的空气等排除在外所计算的外界空气。
如上文所描述的那样，本发明的特征是，当发动机1以分层充气燃烧模式运转时，可以最大程度地利用燃烧室6内的翻滚流，并且可以藉助所述翻滚流来控制燃油喷雾特性，从而可以使混合物适当分层。也就是，当发动机1在分层充气燃烧区A内时，在每一气缸2的进气冲程所产生的翻滚流可以被保持直至气缸2压缩冲程的后阶段，并且可以使燃油被喷射得与所述翻滚流基本对向地撞击并且具有适当的渗透性。以此方式，燃油喷雾就可以朝着火花塞16前进，同时可以藉助翻滚流来逐渐降低速度，而且在此期间，可以促进燃油液滴和其与空气的混合物的汽化作用，这样，可形成一种易燃混合物并将其保持在火花塞16电极附近，在如图1中斜线所示的、气缸2的点火正时处。
换言之，燃油是藉助对从喷射器18喷射出来的燃油喷雾的射程进行控制以与翻滚流的流率相对应并且使喷射器18以一从气缸2的点火正时回推计算出来的预定正时进行工作而喷射出来的。这种对喷射器18进行的工作控制可如上文所描述的那样、以一预定控制程序为基础、藉助ECU 50来完成。因此，ECU 50就相当于一喷油控制装置，所述喷油控制装置藉助对来自于喷射器18的燃油喷雾的射程进行控制以与翻滚流流率相对应，使自喷射器18喷出燃油的喷射作业与气缸2的点火正时相一致，这样，燃油喷雾就会顶着所述翻滚流前进，在火花塞16的点火正时变为一可燃混合物，并停留在火花塞16附近。
更具体地说，在本实施例中，①活塞5的顶部表面的构造、②自喷射器18喷出的燃油喷雾的取向和喷雾锥角、③火花塞16电极的位置被最优地设定，彼此相互关联，以及④可根据对冲翻滚流的流率来对自喷射器18喷出的燃油喷雾射程加以控制，因此，可如上文所述的那样使混合物适当分层。下面，将对上述特征①至④进行具体描述。(活塞顶部表面的构造)
首先，如图7、图8以及图1、图3所示，活塞5的顶部表面形成有一柠檬形空腔5a，当沿气缸中心线z观察时，该空腔沿着一自喷射器18喷出燃油的方向(燃油喷雾的中心线的延伸方向)延伸。此外，如图8所示，空腔5a具有其横向尺寸，可容纳来自于喷射器18的燃油喷雾(如图中斜线所示)。
具体地说，空腔5a的宽度大致在其纵向中部处为最宽，向两端逐渐变窄。如图8所示，当沿着气缸中心线z观察时，其开口宽度在火花塞16电极附近为最大。假定来自喷射器18的燃油喷雾可到达如图中所示的气缸中心线，在该点处的开口宽度w被设定成包括燃油喷雾的几何区。其结果是，开口宽度w超过位于燃烧室6的天花板处的进气口10、10之间的中心距离x。因此，位于其两侧面的空腔5a的侧壁表面就与火花塞16电极充分隔开，所以，它可防止侧壁表面干扰焰芯的窜长并可防止火焰传播性能劣化。下面将对燃油喷雾的几何区进行描述。
当沿着一垂直于图7(b)所示气缸中心线z的方向来观察时，空腔5a的底面基本上呈弧形形式。其最深部位于一与气缸中心线相对应的位置处，也就是，基本上位于气缸2的横截面的中心处。沿气缸中心线z方向、在空腔5a的底面和燃烧室6的天花板之间的间距在所述与气缸中心线z相对应的位置处为最大。而且，如图7(c)所示，位于其两侧面的空腔5a的侧壁表面自其底面逐渐升高且向上延伸，所述侧壁表面的高度大致在空腔5a的纵向中部处为最大。
而且，与空腔5a隔断的活塞5顶部表面外部形成得大致平行于对置燃烧室6天花板的斜面。如图36所示，在气缸2的压缩冲程过程中，在上止点之前的某一预定时间段中，由活塞5顶部表面的所述外部和燃烧室6的天花板(如图中虚线所示)所形成的空隙形成了一用来产生一流向空腔5a的挤气的挤气区SA。应予注意的是，当进气阀12、排气阀14关闭时，燃烧室6的天花板包括沿着气缸盖4的斜面延伸的进气阀12、排气阀13的底面。
更具体地说，如图36和图7(a)所示，活塞5的顶部表面的外部形成在其与空腔5a的纵向中部大致相对应的位置处，即，形成在那些将火花塞16电极夹设在空腔5a的两侧之间的位置处，中心挤压器部分5b与燃烧室6的天花板相协作构成了所述挤气区SA。而且，在活塞顶部表面的外部内，设有进气侧和排气侧挤气区部分5c、5d，以分别朝着进气侧(图中的右手侧)和排气侧(图中的左手侧)与中心挤气区部分5b连续。
如上文所提到的，活塞5颈部表面的构造可以使一翻滚流沿着形成在活塞5顶部表面内的空腔5a顺畅地流动，由此可以毫无阻尼地可靠保持住在气缸2的进气冲程过程中所产生的翻滚流T(参见图30)，一直到气缸2的压缩冲程的后阶段。然后，如图8所示，当燃油藉助喷射器18被喷射出来时，沿空腔5a的内壁表面流动的翻滚流T、T会逐渐减小燃油喷雾的速度，同时可抑制燃油喷雾的扩散，由此可将一易燃混合物层保持在燃烧室6的中心内。
此外，如上文所述，在自气缸2的压缩冲程的后阶段至其压缩冲程上止点附近的时间段中，会产生一些强烈的挤气，它们自活塞顶部表面外部和燃烧室6的天花板之间的挤气区SA流向气缸中心线z。具体地说，产生一些自挤气区SA流向气缸中心的挤气，所述挤气区自中心挤气区部分5b延伸至排气侧、进气侧。这些挤气可抑制混合物的扩散。而且，这些挤气和翻滚流T是形成这种流量分配所必备的，从而可以将所述易燃混合物层包围住。这种流量分配可在火花塞电极附近产生一具有优良可燃性的易燃混合物。
简言之，在本实施例中，考虑到从喷射器18(将在下文中描述)中喷出的燃油喷雾的特性(渗透性和喷雾锥角特性)，为了抑制燃油喷雾的扩散，在活塞5顶部表面的一适当区域内形成有所述挤气区，所述燃油喷雾藉助所述挤气的作用停留在火花塞16电极的附近，而空腔5a的开口宽度w被设定得具有一不过大也不过小的最佳尺寸，从而不会使空腔5a的侧壁表面干扰火焰锋的传播。
图37和图38示出了藉助采用CFD(计算流体动力学)对接近气缸2点火正时(例如，在BTDC 20°CA或之后)的燃烧室6的流量分配进行分析所获得的分析结果。在这些图中说明性地示出了挤气的效果。也就是，虽然每一箭头的长度表示的是流动方向，而不是流动强度，但是，如上文所描述的那样，可以从这些图中看出这种可在燃烧室6中部内将易燃混合物层整个包围住的流量分配。更具体地说，图37示出了在气缸2的横截面内的流量分配，当沿着气缸中心线z观察时，所述气缸横截面垂直于气缸中心线z并包括所述火花塞16电极。正如从该图中可以看到的那样，从喷射器18中喷出的燃油喷雾流、由所述喷雾流产生的气流、所述翻滚流以及挤气(图中以白色箭头示出了其流动方向)共同形成了这种流量分配，以将所述混合物保持在气缸中心内。
图38示出了气缸2的纵向截面内的流量分配，当沿着喷射器18一侧来观察时，它包括所述气缸中心线z。如图中的白色箭头所示，可以看到产生了一些强烈的挤气，它们从延伸至两侧的挤气区SA流向空腔5a的内部。来自两侧的挤气在其中途彼此相互撞击然后从燃烧室天花板流向空腔5a的底面(图中的下侧)，由此可以减弱所述混合物自空腔5a的底面逆向流向燃烧室天花板(图中的上侧)。
藉助这种流量分配的作用，如将在下文中描述的图18(a)和图18(b)所示，可以在火花塞16电极附近形成具有优良可燃性的易燃混合物。当如图18(b)所示自喷射器18侧来观察时，这种易燃混合物层具有一种当其接近燃烧室6的天花板时可使其直径减小的形式。与将在下文中描述的图17(b)中所示的相比较，可以看到的是，这些挤气可以将尤其是沿空腔5a横向的燃油喷雾的扩散抑制住。如果混合物因此而集中在火花塞16电极附近从而使所述易燃混合物层内的混合物具有适当浓度， 则可以在一较宽的发动机运行工况范围内获得具有稳定可燃性和优良燃烧质量的混合物。(喷射器的布置)
接下来，将结合图9至图18对喷射器18的布置以及燃油喷雾的喷雾锥角进行描述。首先如图9所示，喷射器18设置成其轴线(与本实施例中的燃油喷雾的中心线F相对应)与垂直于气缸中心线z的假定平面呈一约为30°的倾斜角δ。此外，来自于喷射器18的燃油喷雾的喷雾锥角θ大体上可根据燃烧室6的压力状态而变化。但是，在本实施例中，在气缸2的压缩冲程过程中，燃油喷雾的喷雾锥角θ被设定在大约20°至大约60°的范围内。
这里，将结合图10对本描述中的燃油喷雾的形成进行描述。如图10(a)所示，确定两个点B和C，在所述两点处，一穿过喷雾中心线F的假定平面和燃油喷雾的轮廓彼此相连，并且将∠BAC定义为喷雾锥角θ(即，θ＝∠BAC)。此外，如图10(b)所示，当分别假定在穿过所述喷雾中心线F的所述假定平面内在其前端侧上的、不包括所谓“过早射流”(初始燃油喷雾)在内的燃油喷雾主射流(燃油液滴区)的前缘为点B和点C时，假定沿喷雾中心线F方向从喷射器18的喷孔点A至点B的间距为L1，假定点A至点C的间距为L2，可将喷雾射程定义为L1和L2的平均间距(即，L＝(L1+12)/2)。
作为一种喷雾锥角θ和喷雾射程L的实际测量方法，可以例如采用激光片(sheet)法。具体地说，首先，将一种由干燥(dry)溶剂制成的试样用作一待从所述喷射器中喷射出来的流体，所述试样的形状况实际燃油的形状相对应，并将所述试样的压力设定为一在正常温度下所实际使用的燃油压力范围内的预定值(例如7兆帕)。此外，作为一环境压力，将一包括一用于拍摄喷射的激光可透射窗和一测量窗在内的压力容器的内部增压至例如0.25兆帕。然后，在正常的温度条件下，藉助以预定脉冲宽度向喷射器18输入一些触发脉冲信号来喷射燃油，由此使每一脉冲的喷雾量可达9立方毫米/冲程。与此同时，用燃油喷雾对厚度为5毫米的激光光片进行幅照以穿过其喷雾中心线，并藉助一高速照相机沿一垂直于激光光片平面的方向对喷雾图象进行拍摄。然后，以触发脉冲信号输入之后1.56毫秒所拍摄到的图象为基础，根据上述定义，确定喷雾锥角θ和喷雾射程L。
应予注意的是，所拍摄到的图象中的喷雾廓形指的是呈液滴形式的粒状试样区域的廓形。由于粒状试样区域是由激光片材来照明的，因此，可以从亮度有所变化的一部分拍摄图象中获得喷雾的廓形。
如果按上述那样来布置喷射器18，即，如果按以上所描述的那样来最佳地设定喷雾中心线F的倾斜角δ和喷雾锥角θ，则本实施例的发动机1就可以在图儿所示的喷油正时、使燃油喷雾与沿着活塞5顶部表面的空腔5a流动的翻滚流T有效地撞击，这样，燃油喷雾的中部(在喷雾中心线F周围的预定区域)就与翻滚流T呈基本反向的关系。
更具体地说，例如，如果喷雾中心线F的倾斜角δ减小至小于大约25°(如图12中的单点划线所示)，从喷射器18喷出的大部分燃油喷雾将朝着火花塞16传送，并且有部分的翻滚流(第二部分翻滚流Ts)沿着燃烧室6的天花板流动，同时可以保持燃油喷雾与沿着活塞5顶部表面的空腔5a流动的那部分翻滚流相撞击，然后随着第一部分翻滚流Tm向前行进流向燃烧室6的天花板。结果，如图13中的单点划线所示，虽然当到达由所述第一和第二部分翻滚流Ts和Tm所传送的混合物时，火花塞16电极附近的局部空气燃油比暂时进入一可燃范围，但是，它将立即变化至一过度富油状态，然后在一段非常短的时间内回到一比所述可燃范围内的更贫稀的燃油状态。也就是，在火花塞16电极附近的局部空气燃油比急剧变化。
另一方面，如图12中的双点划线所示，如果喷雾中心线F的倾斜角δ增大超过大约40°，则从喷射器18中喷出的大部分燃油喷雾将与活塞5顶部表面相撞击并且如该图中的虚线所示的那样附着在其上。因此，如图13中的双点划线所示，在火花塞16电极附近的局部空气燃油比不会进入所述可燃范围，并且所述混合物进入不可燃状态。在粘附于活塞5顶部表面的燃油量以及喷雾中心线F的倾斜角δ之间，即，喷射器18的设定角，可建立例如如图14所示的一种相互关系。从该图中可以看到，如果喷射器18的设定角超过40°。燃油粘附量将骤然增大。
归根结底，可以认为，喷雾中心线F的倾斜角δ最好是设定在δ＝大约25°至大约40°的范围内，以将混合物的浓度状态稳定地保持在所述可燃范围内。例如，如果从喷射器18中喷出的燃油喷雾的中心线F的倾斜角δ如本实施例中那样约为30°，则从喷射器18中喷出的燃油喷雾可以以大致相反的关系与翻滚流T有效地相撞击。因此，燃油喷雾的行进速度可以藉助翻滚流T来加以精确的控制，由此可以将所述混合物稳定地保持在火花塞16电极附近。也就是，如图13中的实线所示，可以将火花塞16电极附近的局部空气燃油比保持在所述可燃范围内一段相对较长的时间，从而可以提供极高的点火稳定性。此外，它还可以增强对点火正时进行控制的灵活性(例如，在分层充气燃烧过程中，在气缸2的压缩冲程，可以将点火正时设定在BTDC 40°至TDC的范围内)，从而能进一步提高燃油经济性。应予注意的是，图13的曲线图与在对于每一δ来说燃油喷雾的喷雾锥角θ约为45°的情况下进行的实验有关。
接下来，考虑到来自于喷射器18的燃油喷雾的喷雾锥角θ，如果喷雾锥角θ较大，则必须使燃油喷雾扩散从而可以很方便地使所述混合物稀释。另一方面，如果喷雾锥角θ太小，则不能使燃油液滴充分汽化且不能使其与空气充分混合，这样，在火花塞16电极附近的混合物就可能过浓。具体地说，图16至图18示出了当喷雾锥角θ为大约20°或60°时在火花塞16电极附近的可燃混合物层的观察结果。在每一附图中，(a)是沿着气缸中心线z对燃烧室6的天花板进行观察的视图，在每一附图中，(b)是沿着一垂直于气缸中心线z的反向对喷射器18进行观察的视图。应予注意的是，在每一附图中，位于气缸外侧的黑区的空气燃油比A/F是A/F≥60。
与本实施例不同，图16和图17示出了利用一在整个顶部表面形成有一球形空气腔的活塞(参见图33)来进行测试的结果。从测试结果中可以看到，当喷雾锥角θ为大约20°时，混合物可以在气缸点火正时、在火花塞16电极(图中以符号+示出)附近被适当分层。但是，当θ为大约60°时，混合物被大量扩散，这样，由于火花塞电极附近的局部空气燃油比减小，就可能削弱点火稳定性。
另一方面，从其中活塞顶部表面设有一柠檬形空腔且所述顶部表面的外部而不是所述空腔设有类似于本实施例的挤气区部分的测试结果可以看到，即使喷雾锥角θ如图18所示为大约60°，仍可以抑制混合物的扩散，并且可以使所述混合物如图16所示的θ为大约20°的情况那样被适当分层。虽然在上文已有所描述，但其原因可以被理解成：翻滚流的取向可以由活塞顶部表面的柠檬形空腔加以导引以便朝着燃油喷雾方向流动从而使燃油喷雾与翻滚流相撞击，从而可抑制燃油喷雾沿其行进方向的扩散，来自于活塞顶部表面和燃烧室天花板之间的挤气区、朝着所述空腔的流动的挤气可以抑制燃油喷雾尤其是沿所述空腔横向方向的扩散。
此外，如图18(b)中可以看到，当可燃混合物层接近燃烧室天花板侧(图中的上侧)时，在挤气的作用下，其直径会减小且其廓形会与空腔的侧壁表面进一步隔开。这样就可防止燃油附着于侧壁表面上，且可抑制燃油经济性的劣化，并可抑制排气中未燃烧的HC的增多。
正如至此所描述的那样，在本实施例中，来自于喷射器18的燃油喷雾的喷雾锥角θ被设定在如图15所示的大约20°或60°的范围内，因此，可以将火花塞16电极附近的局部空气燃油比稳定地保持在一位于所述可燃范围内的值。应予注意的是，虽然如上文所述喷雾锥角θ也可根据燃烧室6的压力状态而变化，但是，在本实施例的发动机1中，在分层充气燃烧过程中喷雾锥角θ最好是被设定在一落在θ＝大约40°至大约45°范围内的值。
如上文所述，在本实施例中，具有适当浓度的可燃混合物层可以通过主要利用翻滚流T对自喷射器18喷出的燃油喷雾的特性加以控制而保持在燃烧室6内的中心处。此外，为了能对驻留在这样一种状态的混合物进行可靠地点火，可设置所述火花塞16，以使其电极从燃烧室6的天花板中、朝着一平行于图9和图19所示的气缸中心线z的方向凸伸出来。因此，当如图9和图19所示沿着一垂直于气缸中心线z的方向来观察时，火花塞16的电极是位于一高于(更靠近燃烧室6的天花板)来自喷射器18的燃油喷雾的中心线F的高度。换言之，当沿着喷雾中心线F来观察时，火花塞16电极位于一与活塞5顶部表面离开喷雾中心线F的距离相比更靠近燃烧室6的位置。
而且，在藉助喷射器18朝着位于一斜向下位置的所述活塞5的顶部表面来喷射燃油的本实施例中，火花塞16电极位于一低于喷射器18的喷嘴的位置处(即，相对于气缸中心线z的延伸方向而言更靠近活塞5的顶部表面)。而且，如上文所述，由于火花塞16电极与燃烧室6天花板隔开，因此，可以使火焰传播性能更为优良。这也改善了燃烧状况。
具体地说，假设在如图19所示的气缸2点火正时时(例如，当发动机1处于预定的低载运转状态且点火正时是BTDC 30°CA)，d是气缸中心线z上、自燃烧室6天花板至活塞5顶部表面的距离，即，d是大致自燃烧室6的最靠上位置之活塞5的空腔5a的最深位置之间的距离。在这种情况中，在气缸中心线z上、自燃烧室6天花板的最靠上位置至火花塞16电极的距离e(凸伸量)被设定成一从大约1/3d至大约2/3d范围内的值。因此，如果将气缸2压缩冲程过程中沿活塞5顶部表面流动的那部分翻滚流定义为第一部分翻滚流Tm，并将该过程中沿燃烧室6流动的那部分翻滚流定义为第二部分翻滚流Ts，那么，当因与燃油喷雾相撞而使第一部分翻滚流Tm的速率大大减小时，在自喷射器18开始喷油至气缸点火正时的一段时间火花塞16电极将位于所述第一部分翻滚流Tm和第二部分翻滚流Ts之间。
在其后的点火正时时，由于第一部分翻滚流Tm显著减少，因此，火花塞16电极难以受到第一部分翻滚流Tm以及第二部分翻滚流Ts的影响。也就是，在气缸2的喷油正时后但在其点火正时之前的一段时间内，火花塞16电极与产生第二部分翻滚流Ts的主流的区域隔开，位于翻滚流T漩涡的中心处，并在点火正时保持在一可使混合物很方便地停留在其周围的状态。
此外，火花塞16电极位于自喷射器18喷出的燃油喷雾的几何区的喷雾中心线F的上方(包括喷雾区的外侧)。此处，燃油喷雾的所述几何区指的是当假定燃油喷雾没有受到燃烧室6内的翻滚流和漩涡的影响时燃油喷雾的液滴区，并且可藉助上述激光片法所拍摄的图象来加以确定。如上文所述，由于火花塞16电极设置在燃油喷雾几何区的喷雾中心线F上方，因此，可以抑制包含在自喷射器18至火花塞16电极的初始燃油喷雾内的大量燃油液滴发生附着的现象，由此可防止在火花塞16内出现不完全燃烧。
图20是当火花塞16电极的凸伸量e已发生变化同时已在所述电极位置处、对在刚好喷油之前、在气缸2的BTDC 55°CA附近的翻滚流T的流率完成测量时的曲线图。正如从该图中可以看到的，翻滚流T在凸伸量e＝1/2d附近其流率为最小，然后翻滚流T的流率逐渐增大，且凸伸量e的变化与凸伸量e大于或小于该值的地点无关。这意味着，在BTDC 55°CA附近且靠近凸伸量e＝1/2d之处，火花塞16电极位于翻滚流T的涡流中心周围。应予注意的是，该曲线图中的三条曲线分别表示翻滚比TR为1.1、1.5和2.3的情况。
图21示出了当火花塞16电极的凸伸量e变化时、发动机1(示数表示燃烧的不断循环变化的幅值)的所示平均有效压力(Pi)的变化率是如何变化的。正如从该图中可以看到的，在凸伸量e＜0.2d处，Pi的变化率超过一预定基准线(例如，大约5％)。在这种状态下，火花塞16电极附近的局部空气燃油比是贫油的，因此使得燃烧质量下降。另一方面，如果凸伸量e≥0.2d，当凸伸量e增大时，火花塞16电极变得越来越靠近活塞5顶部表面，且电极附近的局部空气燃油比变得越来越富油，从而使燃烧变化率变得越来越小。但是，如果凸伸量e增大而超过0.5d，则火花塞16电极可以与燃油喷雾的几何区的喷雾中心线F相接触，从而就会因初始喷雾时有大量燃油液滴发生附着而造成不便。
归根结底，考虑到诸如混合物保持的方便性，混合物的可燃性以及防止大量燃油液滴附着，火花塞16电极的凸伸量e具有一最佳范围。该范围是，如图21中箭头所示，在图中所示的BTDC 55°CA附近，e＝大约0.2d-0.5d。
此时，由于在气缸2的压缩冲程过程中，在气缸中心线z上、自燃烧室6天花板至活塞5顶部表面的距离大体上是随着活塞5的向上运动而减小，如果假定火花塞16电极的凸伸量e是恒定的，则e/d之比将如图22中所示的那样变化。既然如此，在本实施例中，将凸伸量e设定成使凸伸量e/d之比值在图中所示两图线之间的区域内。请参阅该图，应予指出的是，如果曲轴转角例如是与分层充气燃烧区域内的前侧最早点火开始正时(曲轴转角位置)相对应的BTDC 140°CA(ATDC 220°CA)，将建立e/d＝大约10％至大约20％。
此外，如果曲轴转角是与分层充气燃烧区域内相对较低发动机转速时的点火开始正时相对应的BTDC 55°CA(ATDC 305°CA)，将建立e/d＝大约20％至大约50％。而且，如果曲轴转角是与惰性转速时的点火开始正时(曲轴转角位置)相对应的BTDC 40°CA(ATDC 320°CA)，将建立e/d＝大约25％至大约60％。而且，如果在气缸2的压缩冲程过程中，曲轴转角是处于上止点中心(TDC)，则火花塞电极的凸伸量e/d百分比是e/d＝大约40％至大约95％。应予注意的是，在本实施例中，在分层充气燃烧区内，每一气缸2的点火正时被设定在大约BTDC 40°CA至大约TDC之间的范围内。(翻滚流率和喷雾射程的控制)
最后，在本实施例中，即使发动机1的运行工况有变化，也可根据翻滚流的流率对自喷射器18中喷出的燃油喷雾的射程进行控制来形成稳定的混合物。这将在下文中予以描述。
图23示出了当根据翻滚流的流量来控制自喷射器18喷出的燃油喷雾时、通过采用CFD(计算流体动力学)对气缸2的点火正时附近的燃烧室6的流量分配进行分析的结果。如图中粗体箭头所示，翻滚流和喷雾流自两侧沿活塞顶部表面向前行进至图的中部，翻滚流和喷雾流的撞击点A位于图中以符号+标示的火花塞电极附近。因此，例如如图24(a)中的例子所示，可以将具有适当浓度的可燃混合物团保持在火花塞16电极(图中以符号+标示)附近、接近气缸2的点火正时。
此时，由于燃烧室内的翻滚流的流率大体上会随着发动机旋转速度(曲轴7的旋转速度)而变化，如果可在一较宽的运转状态范围内将混合物适当分层，来自喷射器的燃油喷雾的射程应该可以根据发动机的运行工况来加以控制。为此，举例来说，可以考虑改变和调节喷射器的喷油压力。在这种情况中，例如在发动机空转运行过程中，翻滚流的流率是非常小的。因此，如果相应减小喷油压力，就可能使燃油的雾化性和其它特性劣化。相反，当翻滚流的流率超过例如中-高发动机转速范围的一预定上限时，如果相应增大喷油压力，则可能会造成不便，即，燃油喷雾与翻滚流的撞击非常猛烈。在这种情况中，虽然混合物停留在火花塞16电极附近，但混合物会例如如图24(b)所示那样大量扩散并且会使其分层度减小，这样，就可能会削弱混合物的点火稳定性。
相反，在本实施例中，由于设置在每一气缸2的进气口10内的进气气流控制阀34(参见图3)主要是根据发动机1的旋转速度的变化来对其开度进行控制以改变燃烧室6内翻滚流T的流率并对喷射器18的喷油压力作出相应调整，因此，可以在整个分层充气区A内进行适当的混合物分层(参见图6)。
具体地说，如图25(a)所示，当发动机1处于分层充气燃烧区且其旋转速度等于或小于第一设定值ne1(例如，2500rpm)时，进气气流控制阀34将完全关闭。以此方式，与打开进气气流控制阀34的情况(如该图中的假想线所示)相比，可以提高翻滚流的流率。接下来，当发动机旋转速度超过第一设定值ne1且翻滚流的流率到达预定上限时，可以将进气气流控制阀34逐渐打开来增大发动机旋转速度，以便即使发动机旋转速度变得较高，也不会使翻滚流T的流率增大得超过所述上限。然后，在发动机旋转速度超过第二设定值ne2(例如，3500rpm)且发动机1移动至均质燃烧区时，可以将进气气流控制阀34完全打开以确保进气量。
在进气气流控制阀34上的这种工作控制可藉助以预定控制程序为基础的ECU 50来完成。因此，ECU 50就相当于一种用来操控进气气流控制阀34以便在发动机旋转速度到达并超过设定值时抑制与发动机1的旋转速度增大有关的翻滚流率增大现象的翻滚流控制装置。
而且，喷射器18的喷油压力可变化，以与如上文所述的翻滚流流率的变化相一致，从而可以改变如图25(b)所示的燃油喷雾的射程。也就是，当发动机1位于分层充气燃烧区内且其旋转速度等于或低于第一设定值ne1时，可改善燃油喷雾射程以与旋转速度的升高相一致。另一方面，从发动机旋转速度超过第一设定值ne1之时至它到达第二设定值ne1，燃油喷雾射程可基本保持恒定。此外，在发动机旋转速度超过第二设定值ne2且发动机1移动至均质燃烧区之后，可根据喷射量和燃油的可喷射时间之间的平衡情况来确定喷油压力。
这种对于喷雾射程的控制是以以下为基础的：根据预定控制程序通过ECU50对燃油供给系统20的高压调节器27进行操控来改变供送至喷射器18的压力(燃油压力)。图26所示的相互关系建立了燃油压力和喷雾射程之间的相互关系。因此，在实际的控制程序中，考虑到图26所示的相互关系，将对喷油压力进行调节，由此使发动机旋转速度和喷雾射程之间的相互关系能如图25(b)所示的那样。因此，ECU 50还与一喷油控制装置的构造相对应，所述喷油控制装置可用来根据发动机旋转速度的增大来增大来自喷射器18的燃油喷雾的射程一直到旋转速度到达一设定值为止并且能在发动机旋转速度到达或超过该设定值时抑制射程的增大。
作为一变型，可以以一种如图27所示的方式来对翻滚流流率和喷雾射程进行控制。具体地说，在发动机1的旋转速度等于或小于第二设定值ne2时，可以根据发动机旋转速度的增大，藉助逐渐打开进气气流控制阀34，使翻滚流T的流率在不大于如图27(a)所示上限的数值范围内逐渐增大，并且可以根据如图27(b)所示的发动机旋转速度来相应地提高燃油喷雾射程。
或者，作为一第二变型，当发动机1例如处于分层充气燃烧区A内时，可以将进气气流控制阀34保持在一完全关闭的位置从而只能对喷油压力加以控制。以此方式，例如如图39(a)所示，在发动机1的旋转速度等于或小于第二设定值ne2的过程中，翻滚流T的流率将随着发动机旋转速度的增大而逐渐增大。随后，当发动机旋转速度超过第二设定值ne2时，进气气流控制阀34打开，以便使翻滚流流率减小。然后，翻滚流流率将再次增大。通过利用喷射器18以一种与翻滚流率的变化相对应的方式来调整喷油压力，就可以如图39(b)所示的那样来改变燃油喷雾射程。
当只能对喷油压力进行调整而不能操控进气气流控制阀34时，由于喷油压力的调整具有优良的可靠性，因此，即使发动机1的运行工况急剧变化，所述系统也能毫无延迟地响应于发动机的运行工况，诸如其瞬时状态。因此，不管发动机是处于稳定状态还是处于瞬时状态，都可以大大改善发动机1的燃烧质量。此外，这种控制对于以下这种发动机是特别有利的，即，由于燃烧室和进气系统如图中所示的那样来设计，因此，即使旋转速度增大，翻滚流流率的附带增大也是相对较小的。
在本实施例的直接喷射式发动机1中，如上文所述，藉助对进气气流控制阀34的打开程度进行控制，以使驻留在火花塞16电极附近的混合物不能大幅度扩散和稀释，可对燃烧室6内的翻滚流T的流率加以控制使其不超过上限。这意味着，在发动机1的分层充气燃烧区内，燃烧室6内的翻滚比具有一在预定范围内的值。具体地说，可以认为，在本实施例中，翻滚流流率的上限是被设定成可使燃烧室6内的翻滚比具有一在大约1.1至2.3之间范围内的值，并且发动机1的旋转速度被设定成与所设定的上限相对应。本文中，翻滚比指的是在缸内燃烧室内的翻滚强度的标准，更具体地说，其被定义成：藉助在每一进气阀升程时对缸内气流的垂直角速度进行测量，然后对测量值求积分，随后将该积分值除以曲轴角速度所获得的值。因此，如果翻滚比是恒定的，发动机转速越高将使得气缸内的翻滚流率越高。
此外，例如利用一种具有如图28所示构造的设备80可对缸内气流的垂直角速度进行测量。具体地说，在该图中，编号4表示一发动机气缸盖4。气缸盖4侧向地设置在设备80上，一用来供给进气、用来通过一进气供给通道81进行测量的进气供给装置82与一给定气缸的进气口10、10的上游端相连。进气口10、10的下游端通过一连接管83与测量管84的大约中部相连。进气供给装置82可将自鼓风机85供给的空气进给至进气口10、10，同时对空气进行调节，从而使进气口10、10与测量管84之间的压差进入一接近全开节气门处的大气压力的状态。
此外，测量管84由一气缸构成，其直径等于气缸的直径，且其长度大约是其直径的10倍。在图中的顶侧上，所述测量管的一端连接有一装有蜂窝状转子86的脉冲计数器87，而在该图的下侧上，其另一端连接有一其旋转阻力与转子86相等的平衡转子88。应予注意的是，约为其直径10倍的测量管84的长度可确保测量的精确性以及稳定性，并且由于同样的原因，连接管83具有一较短的长度h(例如，大约2厘米)和与一气缸直径相等的直径。
当通过进气供给通道81将空气从鼓风机85给送至进气口10、10时，进气气流通过进气口10、10进入测量管83的内部形成一周向涡流，该涡流朝着测量管83的两端行进然后将转矩作用于转子86。该转矩可借助脉冲计数器87的转矩臂89来测量，然后根据所测量的值来确定缸内气流的垂直角速度。
通常，来自于喷射器18的燃油喷雾的射程会随着发动机1的燃烧室6的温度状况而变化。燃烧室6的温度状况随着发动机1的载荷状况和旋转速度而变化。而且，它们还会随着发动机1的预热状况以及废气回流(EGR)的存在/不存在而变化。举例来说，在发动机预热之后，燃烧室6内的进气温度变得高于完成预热之前的温度，并且燃烧温度升高从而使燃烧室6的温度升高。此外，燃烧温度的升高会使得排气温度升高，因此，在排气通过EGR通道43再循环时，在高温排气的影响下，进气温度也将升高。其结果是，例如如图29(a)所示，当燃烧室6的温度升高时，将促进燃油的汽化，从而使喷雾射程具有一如该图中虚线所示的那样减小的趋势。
为了解决该问题并如上所述的那样使混合物适当分层，重要的是使翻滚流强度与燃油喷雾射程相平衡。因此，在本实施例中，喷射器18的喷油压力是根据喷油量和发动机旋转速度来设定的，此外，还根据燃烧室6的温度状况如上文所述那样来加以校正。具体地说，如图29(b)中的实线所示，根据发动机1的载荷状态、旋转速度和水温、通过EGR阀44的废气回流的存在/不存在或其它类似状况来对喷油压力(燃油压力)进行校正，这样，当推定发动机1温度较高时，可使喷油压力变大。其结果是，喷雾射程将如图中虚线所示的那样增大。也就是，即使喷雾射程因气缸2内的燃烧室6的温度升高而减小，仍可相应增大喷油压力以保持喷雾射程恒定，从而可以抑制火花塞16电极附近的混合物的浓度状况出现波动。(工作原理和效果)
接下来，将对本发明的直接喷射火花点火发动机在分层充气工作过程中的特性、工作原理和效果进行描述。
在发动机1的分层充气燃烧区A内，在如图30所示的气缸2的进气冲程过程中，当活塞5自上止点向下移动时，进气通过处于打开位置的进气阀12的气门头和进气口10的敞口端之间的间隙而流入燃烧室6，这样，就产生了如图中箭头所示的翻滚流T。具体地说，通过活塞5的向下移动而吸入燃烧室6内的进气主要是通过进气口10的那一距离火花塞16较近的敞口端部分而流入燃烧室6的。由于活塞5进一步向下移动，在排气侧(图中的左手侧)上、沿气缸内周缘向下流动的进气气流沿着活塞5顶部表面回到进气侧(图的右手侧)，然后向上流动，从而形成一在整个燃烧室6内沿纵向大幅涡旋的翻滚流T。
随后，气缸3移动至压缩冲程中。在该冲程过程中，当活塞5自下止点向上移动时，燃烧室6的容积将藉助活塞5的向上移动而减小，因此将翻滚流T压缩成一紧凑形状。虽然其流率是逐渐减小的，但是，翻滚流T没有被破坏而是被保持住直至气缸2的压缩冲程的中间阶段和后阶段。此外，在气缸2的压缩冲程的中间阶段之后，在单坡屋顶型燃烧室6天花板和活塞5顶部表面的空腔5a之间留有呈合适形式的燃烧室空间，因此，可增强燃烧室6内的翻滚流T的滞留能力。与此同时，沿着活塞5顶部表面从排气侧向进气侧(从该图的左手侧向右手侧)流动的翻滚流T(第一部分翻滚流)向后回到喷射器18的喷嘴附近然后沿着燃烧室6、从进气侧向排气侧流动。尤其是，沿着活塞5顶部表面的空腔5a对所述第一部分翻滚流T进行导向以朝着喷射器18的喷嘴流动。
因此，如图11所示，当喷射器18喷射出燃油时，大部分的燃油喷雾基本上将与沿着活塞5顶部表面的空腔5a流动的部分翻滚流T对向撞击。因此，将促进燃油液滴的汽化以及其与周围空气的混合，并且可以逐渐减小燃油喷雾的速度，同时还有助于推开翻滚流T从而在如图1所示的气缸2的点火正时形成具有适当浓度的可燃混合物层。该可燃混合物层停留在位于燃烧室6中心处的火花塞16电极周围。而且，自空腔5a的外侧流向气缸中心的挤气可抑制可燃混合物层的扩散，从而可以增强其滞留在火花塞16电极周围的精度。在这种状态下，将电力传导至火花塞16，从而点燃所述可燃混合物层，由此提供良好分层充气的燃烧。
简言之，在气缸2的压缩冲程过程中，翻滚流T沿着活塞5顶部表面的空腔5a被导向以便自燃烧室的中心向喷射器18的喷嘴流动，此外，可以使得燃油喷雾朝着一适当方向、以一适当的射程和扩张角与翻滚流T有效地撞击。其结果是，可以使混合物适当分层且保持在燃烧室6的中心内。
与此同时，设置在进气口10内的进气气流控制阀34的开度可根据发动机1的运行工况来控制，从而可以调节翻滚流T的流率以使其在一最佳范围内，并且可以对喷射器18的喷油压力加以同样的控制从而对燃油喷雾射程进行调整，以使其在一与翻滚流T的流率相匹配的最佳范围内。因此，即使发动机的运行工况从空转变化至中等载荷和中等发动机转速范围，也能使翻滚流的强度和燃油喷雾射程彼此相平衡在一最佳范围内，在该最佳范围内，它们不会太强烈也不会太弱，与发动机运行工况的变化无关。因此，如上文所述，可以将适当浓度的可燃混合物保持在燃烧室6的中心处。
归根结底，根据本实施例的直接喷射混合点火式发动机1，可以在整个分层充气燃烧区A内，藉助气缸2的燃烧室6内的翻滚流T等类似物对燃油喷雾的特性进行适当控制，这样，就可以无关于运行工况的变化来进行混合物的适当分层。它可以进行优良的分层充气燃烧，由此可提高燃油经济性和功率输出。此外，由于这种用来形成一混合物的方法能实现良好的分层充气燃烧状况，直至高于已有技术的较高载荷和发动机转速范围，因此，可以使分层充气区扩伸，从而可以在发动机1的整个运行工况范围内提供更优良的燃油经济性。
此外，如上文所述，由于可以在气缸2的点火正时将适当浓度的混合物保持在火花塞16电极附近，因此，可以大大延长混合物可被稳定点火的时间。这样就可以提高对于气缸2的点火正时进行控制的灵活性，从而可以进一步提高燃油经济性和功率输出。
而且，还可以防止象已有技术(未经审查的日本专利公开公报No.11-141338)那样，与喷射器18相对置的空腔内壁面被定位在靠近火花塞电极而干扰在燃烧阶段中的焰芯的窜长并劣化火焰传播性能，此外还能减少燃油附着于活塞顶部表面的现象。这也能进一步提高燃油经济性和功率输出，并减少排气中的未燃尽HC浓度。
具体地说，图31和图32示出了与上述已有技术中所示的直接喷射式发动机相比，本实施例中的直接喷射火花点火式发动机1的提高燃油经济性效果以及排气净化效果。具体地说，图31示出了以将燃油喷至进气口的所谓进气口燃油喷射式发动机为基础、在较低的发动机转速下(例如，1500rpm)、发动机1的燃油经济性提高率、燃油经济性和HC排放率。如图中实线所示，可以看到，与图中虚线示出的已有技术直接喷射发动机相比，本发明的直接喷射式发动机1还能提高在低速范围内的燃油经济性，并且可以大大降低未燃尽HC的排放量。其原因被认为是，由于可减小附着于活塞顶部表面的燃油量这一事实。
图32示出了在发动机1中等转速下进行类似测试的测试结果。可以看到，如图中实线所示的本发明发动机具有大大提高燃油经济性的效果以及大大减少尤其是其高载端上的未燃尽HC排放量的效果。这是由于本发明的直接喷射式发动机1，即使是在已有技术直接喷射式发动机不能捕获活塞腔内的燃油喷雾的这一运行工况范围中，也能使混合物在火花塞电极周围适当分层，从而可以提供良好的分层充气燃烧。(实施例2)
图33示出了根据本发明实施例2的直接喷射火花点火式发动机1的活塞5。正如从该图中可以清楚看到的那样，实施例2的发动机具有这样一种构造，其中，活塞5顶部表面设有一在整个活塞5顶部表面上延伸的的球形空腔5a，而不是如实施例1那样的柠檬形空腔5a。应予注意的是，除了空腔5a的形状之外，实施例2的发动机1其构造与实施例1的发动机构造是相同的，因此，相同的构件以相同的编号标示，并且省略其描述。
如图33(a)和图33(b)所示，在进气侧(两图的右手侧)上活塞5顶部表面的一部分形成有一相对较小且较浅的凹部5e，所述凹部可以沉没在球形空腔5a之中，以避免干扰来自喷射器18的燃油喷雾。空腔5a和凹部5e的总容积可根据气缸2的压缩比来确定。虽然当沿着如图33(a)所示的气缸中心线来观察时空腔5a看上去是纵向较大，但是，这是由于活塞5顶部表面其整个形状与实施例1的是相同的，都是与发动机1的燃烧室6天花板相对应。
由于空腔5a的这种形状，因此，实施例2的发动机1具有一可以很方便地使来自喷射器18的燃油喷雾朝着两侧(当沿着喷雾中心线F来观察时)扩散的趋势。也就是，在实施例1的发动机中，柠檬形空腔5a的侧壁表面可对翻滚流T加以导引，从而使其与燃油喷雾相撞击，并且来自于空腔5a外侧的挤气可抑制燃油喷雾的扩散。因此，即使燃油喷雾的喷雾锥角θ是一相对较大的值，即，θ＝大约60°，也可能使混合物如图18所示的那样被适当分层。相反，由于在实施例2中，挤气的这种作用较弱，为了能使混合物适当分层，将喷雾锥角θ设定为一与实施例1相比相对较小的值。以此方式，如图16所示，就可以将适当浓度的可燃混合物保持在燃烧室6的中心处。
具体地说，在本实施例中，来自喷射器18的燃油喷雾的喷雾锥角θ可藉助所述喷射器18的可变机构来加以调节，从而能落在例如θ＝大约20°至大约50°的范围内。在这种情况中，由于喷雾射程显示出当喷雾锥角θ如图4那样减小时有变得越来越大的趋势，因此，可以相应降低喷油压力，以弥补喷雾射程的变化。或者，可以采用一种能分别改变喷油特性和喷雾锥角的喷射器，诸如一种在日本未经审查的专利公开公报No.9-133061中所揭示的已知型喷射器。或者，可以采用一种空气辅助喷射式喷射器，它可以利用压缩空气对燃油喷雾射程和喷雾锥角进行调节。以这些方式，可以使从喷射器中喷出的燃油喷雾的喷雾锥角θ较适当，同时，可以使喷油压力和喷雾射程最优化。
因此，根据实施例2，与实施例1相类似，可以在一个较宽的发动机1运行工况范围内提供适当的混合物分层，可以提高燃烧质量，从而可以改善燃油经济性和功率输出性能，并进一步净化排气。此外，由于活塞5的空腔5a的形状减小了燃烧室6的S/V比(燃烧室面积容积比)并且使火焰沿所有方向(当沿着气缸中心线z来观察时)的传播均匀化，因此，可以进一步提高燃油经济性和功率输出性能。(实施例3)
图40示出了根据本发明实施例3的直接喷射火花点火式发动机1的活塞5。实施例3的这种发动机具有这样一种构造，其中，为了减小活塞5和气缸2内壁表面之间的滑动阻力，压缩高度(自销孔中心至活塞5顶部表面之间的高度)小于实施例1中的压缩高度，并且活塞5顶部表面的空腔5a的底面被形成得朝着燃烧室6的进气侧倾斜。由于发动机1的其它部件具有与实施例1和2相同的构造，因此，凡是相同的部件均用相同的编号来标示，并且不再赘述。
具体地说，如图40(a)所示，当沿着气缸中心线z来观察时，实施例3的活塞5顶部表面形成有一与实施例1相类似的柠檬形空腔5a。如图40(b)所示，空腔5a的底面形成为：图中右手侧的进气侧部分是倾斜的，深于其对侧的排气部分，并且其与气缸中心线z相交的中部构成一平整的斜面。因此，空腔5a的最深部分与其与气缸中心线z相对应的位置相比更靠近进气侧。此外，由于所述斜面的倾斜角(相对于气缸2的横截面而言的倾斜角)小于形成燃烧室6的天花板的斜面的倾斜角，因此，在该空腔5a内，在一沿气缸中心线z方向、在空腔底面和燃烧室天花板之间的距离为最大的位置就是与气缸中心线z相对应的位置。
由于空腔5a形成得当其以上述方式接近进气侧时越来越深，因此，即使与实施例1的发动机1相比，翻滚流T从总体上说较弱，实施例3的发动机1也能提高翻滚流T在燃烧室6内的滞留能力。通常，当气缸2移动至压缩冲程从而使活塞5从下止点向上移动时，在气缸2的进气冲程过程中形成在燃烧室6内的翻滚流T就会藉助因活塞5向上移动所造成的燃烧室容积减小而压紧。其结果是，翻滚流T的流率逐渐减小，并且尤其是在翻滚流朝着活塞5顶部表面流动的燃烧室6排气侧处，在活塞5的向上运动的影响下，它在相对较早阶段中衰减。
因此，当燃烧室6内的翻滚流T从总体上说较弱时，如图41中示意性示出的那样，会发生这样一个现象，即，虽然翻滚流T在气缸6的进气侧(图中的右手侧：IN)处被增强，但是，在排气侧(图中的左手侧：EX)处，翻滚流将急剧衰减，这样，在自气缸2的早期阶段至中间阶段的过程中，图中以白色圆圈示出的翻滚流T的涡流中心就会朝着进气侧逐渐移动，并且会使翻滚流T的滞留能力总体下降。图42示出了通过采用CFD(计算流体动力学)对燃烧室6内的翻滚流T的变化进行分析所获得的结果，其中，出现了如上文所述的、流动状况的这些变化。当翻滚流T的滞留能力因此而减小时，就难以使翻滚流T与来自喷射器18的燃油喷雾相撞击，故稳定性较差。
相反，对于实施例3的发动机1来说，如上文所述，活塞5顶部表面的空腔5a形成得其进气侧深度深于排气侧深度，而且空腔5a的底面自排气侧朝着进气侧越来越深。因此，如图43中示意性示出的那样，在燃烧室6的排气侧(图中的左手侧：EX)流向活塞5顶部表面的翻滚流T随着空腔5a的倾斜底面朝着其进气侧(图中的右手侧：IN)取向。此外，由于燃烧室6其进气侧的容积大于排气侧的容积，因此，可以很方便地使翻滚流T的涡流中心在燃烧室6的进气侧上移动。在这些作用的的最佳协同作用效果下，可以抑制涡流中心朝着排气侧的移动，从而可以充分地保证翻滚流T的滞留能力。
而且，在活塞5顶部表面内形成空腔5a的过程中，如果可以尽可能地减小活塞5的压缩高度h，虽然当沿着一如图40(b)所示的、垂直于气缸中心线z的方向来观察时可以很清楚地理解，但是，当沿着该方向来观察时，空腔5a是不可能具有呈弧形形状的底面的。也就是，活塞5的压缩高度h应该较小，它意味着将一销孔定位在一相对靠上的位置处。在这种状况下，即使空腔5a底面呈弧形形状，底面仍会与用于连接杆小端的布置空间相干扰。归根结底，如本实施例那样，空腔5a的底面将被形成得使其最深部分偏离气缸中心线z，并且其靠近中心的部分被形成为一平整的斜面。
图40中的编号5e表示一喷雾凹部，该喷雾凹部被形成得不会使从喷射器18中喷出的燃油喷雾与活塞5的空腔5a的周缘相干扰。除了喷雾凹部5e之外，当沿着如图(a)所示的气缸中心线z来观察时，空腔5a的构造相对于中心线以及横向是对称的。
因此，根据实施例3，可以尽可能地减小活塞5的压缩高度h，以减小机械阻力，与此同时，还可以使活塞5顶部表面表面形成得具有一呈所需形状的空腔5a。这样，即使燃烧室6的翻滚流T相对较弱，仍可以保持翻滚流T的强度，一直到气缸2压缩冲程的中间阶段或后阶段为止，由此可以获得与实施例1相同的作用和效果。(其它实施例)
本发明并不受到上述实施例1至实施例3的限制，而是包括各种其它实施例。具体地说，在每一前述实施例中，活塞5顶部表面均形成有一如图7、图33或图40所示的空腔5a。但是，并不一定要设置这样一种空腔，相反，例如活塞5顶部表面可以具有大体上平整的形状。此外，如果设有如实施例1的柠檬形空腔5a，为了减小如实施例3所描述的活塞的压缩高度，空腔5a底面可以具有如图44所示的大体平整的形状。
而且，在每一前述实施例中，火花塞16电极靠近气缸中心线而定位。但是，火花塞16电极的位置并不限于该位置，而是可以被定位在进气阀侧或排气阀侧上的一偏置位置。应予注意的是，在这种情况中，必须在气缸2的点火正时将混合物保持在火花塞16电极附近。因此，需要根据火花塞16电极的位置来改变翻滚流T的流率和燃油喷雾射程之间的折衷水平(tradeoff)以及点火正时和喷油正时之间的相互关系。
而且，本发明并不受限于每一气缸采用单个火花塞16。例如，如图33中的假想线所示，可以将两个火花塞16、16设置成排成一直线。在这种情况中，两个火花塞16、16的电极最好被定位在活塞5的空腔5a内部。以此方式，可延长这样一段时间，在该时间段中，即使处于较大幅度的扩散状况中，也能将燃油喷雾稳定点火。
此外，在前述实施例中，可通过对自喷射器18中喷出的喷油压力加以控制来对燃油喷雾射程进行控制。燃油喷雾射程的控制并不限于以上方式，而是可以例如藉助喷射器18的可变机构的操控来进行。具体地说，在来自喷射器18的燃油喷雾的射程和喷雾锥角之间可建立如图4所示的相互关系。因此，如果喷雾锥角增大，喷雾射程可以被减小。相反，如果喷雾锥角减小，则喷雾射程可以被增大。
此外，在前述各实施例中，燃烧室6内的翻滚流T的流率可藉助改变进气气流控制阀34的开度来加以调整。但是，翻滚流T的流率的调整并不限于以上方式，而是可以例如藉助采用可变阀正时机构14改变进气阀12或排气阀13的打开/关闭正时来进行。具体地说，如果排气阀13的关闭正时(阀正时)如图34(a)中的实曲线所示那样角度延迟，与该图中假想线所示的正常情况相比，可使自排气侧流回至燃烧室6的已燃气的量增加。这样就可以降低吸入燃烧室6内的进气的流率或流量，由此可减小翻滚流T的流率。此外，由于已燃气的向后流动会升高燃烧室6的温度，因此，即使喷油压力随着翻滚流流率的减小而降低，也不会劣化燃油的汽化特性。
而且，如果进气阀12和排气阀13的打开/关闭正时如图34(b)所示那样角度延滞，同样也可获得上述效果，此外，可减小进气效率，从而可减小翻滚流T的流率。以此方式，可以将进气阀12和排气阀13的打开/关闭正时的改变量抑制得相对较小，因此，可以抑制发动机1的运行工况发生变化。或者，虽然图中没有示出，但是也可以藉助使进气阀12的打开/关闭正时出现角度延滞来减小翻滚流T的流率。
此外，在实施例1和2中，形成在活塞5顶部表面内的空腔5a的最深部分被定位在一与气缸中心线z相对应的位置处，而在实施例3中，它是被定位在比对应于气缸中心线z的位置更靠近进气侧的位置处。本发明并不受到将空腔5a的最深部分定位在这些位置的限制。例如，在实施例1或2中，空腔5a的排气侧空间的容积可以大于其进气侧空间的容积，以使火焰传播速度均匀。在这种情况中，空腔5a的最深部分将被定位在与所述对应于中心线z的位置相比更靠近排气阀的位置处。