本发明涉及一种副燃烧室式柴油机。 副燃烧室式柴油机一般呈下述结构：气缸盖中设有一分隔室而在气缸内形成主燃烧室，在气缸盖中还相对于气缸中心轴线偏心地形成一朝此中心轴线倾斜的喷射孔。
在这种柴油机中，在活塞的顶面内顺凹向形成有一对气门凹腔，这样，当柴油机中的活塞接近上止点时，由于该气门凹腔相对于主燃烧室整个容积的容积比会变得较大，便希望能有效地混合局部地聚积于此气门凹腔中的大量空气与从喷射孔喷入的燃烧膨胀气体，以便改进燃烧性能。但在实际上，同没有气门凹腔的柴油机相比，燃烧性能并无多大改进。可以认为，原因就在于气门凹腔内的空气与燃烧膨胀气体两者之间并未实现有效地混合。
本发明的目的即是在副燃烧室式柴油机中使气门凹腔内的空气同燃烧膨胀气体有效混合。
本发明的目的即是在副燃烧室式柴油机中使气门凹腔内的空气同燃烧膨胀气体有效混合。
为了实现上述目的，本发明取如下结构形式。
例如在与本发明第一实施例相对应的图1中，于气缸盖23中设有一副燃烧室1，而在气缸22内形成有一主燃烧室5。在气缸盖23内，还相对于气缸22的中心轴线3，偏心地形成有一朝此气缸22-中心部分倾斜的喷射孔4。
根据上述结构，本发明人等业已证实，从喷射孔4喷出的燃烧膨胀气体，给出了一股沿喷射孔4的喷射轴线12直进地气流27，同时给出了一对从平行于气缸22中心轴线3方向看去位于此喷射轴线12相对两侧的涡旋气流6、7。
为此，在面向主燃烧室5的气缸盖表面9以及活塞顶面8此二者的至少一个之中，顺凹向形成有至少一对气门凹腔10、11，使之从平行于气缸22的中心轴线3的方向上观察时，配置在喷射孔4的喷射轴线12的相对两侧。
这时，此对涡旋气流6、7的各涡流中心14、15，从气缸22的中心轴线3的平行方向观察时，即分别位于这对气门凹腔10、11之中。
通过本发明的上述结构，可以获得以下种种效益。
如图1（A）所例示，气门凹腔10、11中的空气为外来的涡旋气流6、7环围，并被它们拖曳到一起，按箭头18、19所示的涡旋气流6、7的相同转向旋转。此时，由于此种空气的比重较涡旋气流6、7的比重大，就会因其间的离心力差，如箭头20、21所示，扩散进入涡旋气流6、7之中，使它们能有效地混合，提高主燃烧室5中的空气利用效率。这样，燃烧性能得到了改进，从而可提高输出性能并减少废气中尚未燃烧的有害成分的排出量。
顺便指出，由于过去并未断定，从喷射孔喷出的燃烧膨胀气体在主燃烧室内是取何种流动状态，就没有可能象本发明那样，提出使涡旋气流的涡流中心处于气门凹腔之内的概念。
现在，本发明人等已用下述方式确定了燃烧膨胀气体在主燃烧室内的流动状态。将活塞的顶面涂以一层混合有二硫化钼粉末的凡士林，然后以开动汽车的方式来运转此柴油机。在活塞的上升行程中，由于主燃烧室中产生的压缩热使凡士林熔化。此时，当活塞从上止点开始下行时，由于副燃烧室与主燃烧室间产生的压力，便有空气通过喷射孔喷入主燃烧室内，而此空气即沿活塞的顶面流动。上述凡士林也随此空气的流动而流动，使得二硫化钼粉末沿此流动路径描出痕迹。
这样，当发动汽车作业历经一段预定时间将活塞拆下后，用眼睛观察二硫化钼粉末在活塞顶面的走向，就能断定空气在主燃烧室内的流动状态。结果，本发明人便得以判定，上述空气形成了一股沿喷射孔喷射轴线的直进流，以及沿平行于气缸中心轴线看去时，位于此喷射轴线相对两侧的一对涡旋气流。根据这一认识，本发明人等推测：从喷射孔喷出的燃烧膨胀气体所表现的流动状态，会与柴油机实际工作时的上述空气在主燃烧室中的流动状态相同。
然后，根据上述推测，本发明人等详细观察了从运行过一预定时间后的柴油机上卸下的活塞的顶面上所附着的碳，得以断定所附着的碳基本上是与上述二硫化钼有相同取向，从而证明了上述推测的正确性。此外还断定了，这对涡旋气流的涡流中心位置在同一柴油机中基本上是恒定的，即使是当柴油机的转速改变或是喷入副燃烧室内的燃料量改变了时。
另外，采用与上述类似的判断方式，本发明人等研究了带气门凹腔的传统柴油机中气门凹腔与涡旋气流间的位置关系，并且断定从与气缸中心轴线相平行的方向看去时上述涡旋气流的涡流中心是偏离气门凹腔的。
结果，本发明人等推测，当从平行于气缸中心轴线方向观察，涡旋气流的中心位于气门凹腔内时，气门凹腔内的空气就可能同涡旋气流有效地混合，而燃烧性能便得到大大改进，据此本发明人等便提出了本项发明。
下面简述本发明的附图。
图1用来说明本发明的第一实施例，图1（A）是安装于一气缸内的活塞的平面图，图1（B）是沿图1（A）中B-B线截取的剖面图，图1（C）是沿图1（A）中C-C线截取的剖面图，而图1（D）是沿图1（A）中D-D线截取的剖面图;
图2是本发明第一实施例中采用的喷射孔的示意图，图2（A）是此喷射孔从横向观察时的透视图，图2（B）是此喷射孔从前向观察时的透视图;
图3是本发明第一实施例中所用气缸盖的说明图，图3（A）是水平剖面图，图3（B）是沿图3（A）中B-B线截取的剖面图;
图4是本发明第二实施例中所用气缸盖的垂直剖面图;
图5是本发明第三实施例中所用活塞的说明图，图5（A）是此活塞的平面图，图5（B）是沿图5（A）中B-B线截取的剖面图，图5（C）是沿图5（A）中C-C线截取的剖面图，而图5（D）是沿图5（A）中D-D线截取的剖面图;
图6是本发明第四实施例中所用活塞的说明图，图6（A）是此活塞的平面图，图6（B）是沿图6（A）中B-B线截取的剖面图，图6（C）是沿图6（A）中C-C线截取的剖面图，而图6（D）是沿图6（A）中D-D线截取的剖面图;
图7是本发明第五实施例中所用活塞说明图，图7（A）是此活塞的平面图，图7（B）是沿图7（A）中B-B线截取的剖面图，图7（C）是沿图7（A）中C-C线截取的剖面图，而图7（D）是沿图7（A）中D-D线截取的剖面图;
图8是本发明第六实施例中所用活塞的说明图，图8（A）是此活塞的平面图，图8（B）是沿图8（A）中B-B线截取的剖面图，图8（C）是沿图8（A）中C-C线截取的剖面图，而图8（D）是沿图8（A）中D-D线截取的剖面图;
图9是本发明第七实施例中所用活塞的说明图，图9（A）是此活塞的平面图，图9（A）是沿图9（A）中B-B线截取的剖面图，图9（C）是沿图9（A）中C-C线截取的剖面图，而图9（D）是沿图9（A）中D-D线截取的剖面图;
图10是本发明第八实施例中所用活塞的说明图，图10（A）是此活塞的平面图，图10（B）是沿图10（A）中B-B线截取的剖面图，图10（C）是沿图10（A）中C-C线截取的剖面图，而图10（D）是沿图10（A）中D-D线截取的剖面图;
图11是本发明的第九实施例中所用活塞的说明图，图11（A）是此活塞的平面图，图11（B）是沿图11（A）中B-B线截取的剖面图，图11（C）是沿图11（A）中C-C线截取的剖面图，而图11（D）是沿图11（A）中D-D线截取的剖面图;
图12是本发明的第十实施例中所用活塞的平面图;
图13是本发明的第十一实施例中所用活塞的平面图;
图14是本发明的第十二实施例中所用活塞的平面图。
下面描述本发明的最佳实施例。
首先对照图1至图3阐述本发明的第一实施例。在此第一实施例中，配置有副室式燃烧室的一台立式多缸柴油机具备下述结构。也即如图1（B）所示，有一气缸盖23安装在气缸22的上侧，同时有一活塞24安装于气缸22之内，以在此气缸22内形成一主燃烧室5。气缸盖23中形成有一基本上呈球形的涡流室式的副燃烧室1，后者面对着一燃料喷嘴2。此副燃烧室1经一喷射孔4与主燃烧室5通连。
如图1（A）所示，喷射孔4设置在气缸22的内周面附近，即相对于气缸中心3呈偏心关系。如图2所示，喷射孔4包括一主喷射孔25和配置于后者相对在右侧处的一对左侧与右侧的喷射孔26、26。
主喷射孔25取斜置的柱形构型，令其轴线25a相对于作为基准平面的气缸盖面9成一倾斜约45度的仰角，且使其面对主燃烧室5并取气缸的中心轴线的方向。这只需让此轴线25a朝向气缸22的一中心部分即可，且此轴线25a可距此气缸中心轴线3偏移某种程度。
两侧的喷射孔26、26取朝下扩大的平截锥形构型，如图2（A）所示，当从侧向观察时，轴线26a、26a与主喷射孔25的轴线25a类似，倾斜一约45度的仰角，并且使其倾斜成从前向看去时如图2（B）所示，这两个喷射孔的下部朝外扩张。对主喷射孔25的轴线25a的仰角以及侧向喷射孔的轴线26a的仰角的度数并无特别规定，但最好取为约40-50°。
在这种副室式燃烧室中，来自副燃烧室1中的燃烧膨胀气体经喷射孔4喷出，依下述方式在主燃烧室5内流动。也即如图1（A）所示，从喷射孔4喷出的燃烧膨胀气体形成一股沿喷射孔4的喷射轴线12直进的气流27，同时形成一对从与气缸中心轴线3平行方向看去位于喷射孔4喷射轴线12相对两侧处的涡旋气流6、7。喷射孔4的喷射轴线12位于主喷射孔25的轴线25a的延长线上。
这对涡旋气流6、7的各自涡流中心14、15的生成位置如下。亦即当设想在气缸22的径向有一条垂直于喷射孔4的喷射轴线12的假想横断线13时，上述各涡流中心14、15即形成在由此假想横断线13至喷射孔4这一侧的偏心位置中。顺便指出，当此喷射孔4只包括主喷射孔25时，这对涡旋气流6、7的涡流半径会变得较小，而各个涡流中心14、15即形成在大致与本实施例中相同的位置处。
如图1（B）、（C）所示，在气缸盖23中形成有一进气口28和一排气口29，同时在此进气口28的中间进气阀孔30与端部进气阀孔31之间分别设置有开闭自如的进气阀32、44，而在排气口29的排气阀孔14则设有一开闭自如的排气阀35，形成一种所谓的三阀装置。上述进气与排气阀32、33、35，适合用包括推杆36等在内的阀门启动装置依预定的定时关系开闭。如图1（A）所示，在一活塞顶面8中朝凹向形成有一对左、右凹腔10、11以及一前侧气门凹腔37，使之分别与上述进气与排气阀32、33以及35相对。气门凹腔10、11各自的凹腔中心16、17设定成与喷射孔4基本上等距。
为了使这对气门凹腔10、11中的空气与该对涡旋气流6、7作有效地混合，如图1（A）所示，此对涡旋气流6、7各自的涡流中心14、15从平行于气缸中心轴线看去即位于气门凹腔对10、11的各相应凹腔中心16、17。只要求各凹腔中心16、17与涡流中心基本上相互重合即可。
根据上述结构，气门凹腔对10、11中的空气在外部分别为涡旋气流16、17环绕，并受到它们的拖曳，按照与涡旋气流6、7相同的转向旋转，如箭头18、19所示。此时，由于空气的比重较燃烧膨胀气体的大，此种空气由于箭头20、21所示的离心力差而扩散进入涡旋气流6、7之中，使它们有效地进行混合。
如图1（A）所示，从平行于气缸中心轴线3看去，前侧气门凹腔37配置在喷射孔4的喷射轴线12上。因此，前侧气门凹腔37中的空气同直进气流27也能有效地混合。此气门凹腔37的凹腔中心38基本上重合到喷射轴线12上。
此外，在活塞顶面8中顺凹向形成有一扇形的气体通过槽40。当从平行于气缸中心轴线3的方向观察时，此气体通过槽40的进口部41形成为搭叠到喷射孔4上，且随着它沿喷射孔4的喷射轴线12离开喷射孔4的程度越远，它的宽度也渐渐加宽，而它的深度则愈益变浅。气体通过槽40的左、右部分则搭叠到左、右气门凹腔10、11的左、右部分上，而更为接近喷射孔4，同时，此气体通过槽40的端头中央部分则在气门凹腔37的部分44上搭叠成更为接近假想横断线13。
根据上述结构，由于喷射孔4喷出的燃烧膨胀气体能够在较低的阻力下流经上述气体通过槽40，这对左、右涡旋气流6、7与直进气流27的流速就加大，得以进一步促进各个气门凹腔10、11、37中的空气同燃烧膨胀气体的混合。
下面将要详细阐明第一实施例的气缸盖的结构。如图3（A）所示，当设想在气缸22的径向上有一与气缸中的轴线3和一曲柄轴线70垂直的第二假想横断线56时，从平行于气缸中心轴线13的方向观察，就为此第二假想横断线分出一前侧区54和一后侧区57，而前述进气口28则位于此后侧区57中。此进气口28形成在气缸盖23的右壁53中，可由此顺左向延伸。在进气口28的一进口侧上，与第二假想横断线相平行地形成有一吸入空气进口部58。只需此吸入空气进口部58大致与此第二假想横断线56作平行伸延即可。在进气口28的中间部分与端部上分别设有一中间进气阀孔30与一端部进气阀孔31，它们分别配置在曲柄轴线70的左侧与右侧。
由于此端部进气阀孔31的中心60要比中间进气阀孔30的中心59，设置得更接近第二假想横断线56，通过这两个中心59、60的一条中心连线61便相对于吸入空气进口部58的轴线62倾斜。由于位于两中心59、60之间的气门口间孔部63是与此中心连线61相平行地形成，此气门口间孔部63便相对于吸入空气进口部58的取向倾斜。只需使此气门口间孔部63基本上沿平行于中心连线61的方向延伸即可。顺便指出，上述图中符号θ指此中心连线61相对于吸入空气进口部58的倾角。
根据上述结构，通过气门口间孔部63的吸入的空气67在其为吸入空气进口部58所导向时，由于它的惯性而常要取直进形式。由于此气门口间孔部63的取向是相对于吸入空气进口部58的取向倾斜，此吸入的空气67即为气门口间孔部63之周壁64的外部65所引导而到达端口部68，然后沿其弧形壁流动，而得以从端部进气阀孔31吸入到气缸22内。在此，由于此从端部进气阀孔31吸入到气缸22内的吸入的空气67被导引或沿着气缸22的内周面流动，从而便防止了湍流作为一种进气阻力生成于端部进气阀孔31的邻近，得以保持着吸入空气的充气效率。
当从气缸中心轴线的平行方向观察，上述气门口间孔部63的周壁64的远距第二假想横断线56的外部65，则弯曲成为朝外鼓胀的构型。于是，由于为此外部65所导引的吸入空气67是由上述弯曲形状所均匀地导引，就可以降低此吸入空气67的导引阻力，这同将外部65形成笔直的构型相比，就可保持较高的吸入空气的充气效率。
此外，前述吸入空气进口部58的直径从其入口部分到其端部的区域内是渐减的。因此，此吸入空气从进口部58进入气门口间孔部63的流速便加大，使得此吸入空气被吸入到气缸22中的流速也加大，从而就增加了气缸22内的涡旋速度。
顺便指出，排气口29形成在第二假想横断线56的前侧区域54，从曲柄轴线70向左方延伸。在此排气口29的进口部分设有一排气阀孔34。副燃烧室1设置于曲柄轴线70的右侧，并且是在第二假想横断线56的右侧。在曲柄轴线70的左侧，第二假想横断线56上设有一推杆室71。图中的字符72指气缸盖螺栓的插入孔，它们环绕着气缸22按60°间隔排列，总数有6个。
图4至图14表示第二实施例至第十二实施例，其中的部件与前述第一实施例中的相同者，一概以相同字符标明，而其中未作具体描述和未具体示明于相应图中的那些部件，在不脱离本发明精神的前提下，是与第一实施例中的相应部件具有相同的结构的。
图4所示的第二实施例是图1所示第一实施例的变型例，其中的左、右气门凹腔对10、11是形成在面朝主燃烧室的气缸盖面9之中。这两个气门凹腔10、11是同排气阀孔34与中间进气阀孔30同心形成的。
图5所示的第三实施例是图1所示实施例的变型例，其中在活塞顶面8内还形成有一隆起部66。当从平行于气缸中心轴线3的方向观察，此隆起部66位于这对左、右气门凹腔10、11之间，在喷射孔4的喷射轴线72之上，并自气体通过槽40的内底面45鼓胀出来。当从平行于气缸轴线3的方向观察，此隆起部66的面向喷射孔4边棱46呈弧形，并自气体通过槽40的内底面隆起。此气体通过槽40则因隆起的边棱46分成两支。隆起部66的上表面47则形成倾斜形式，类似于一个相对此气体通过槽40的内底面45的一个台阶。
根据上述结构，直进气流27的一部分即为隆起部66的边棱46所阻，而朝左与右转向，使得涡旋气流6、7的流速加大，进一步促进左、右气门凹腔对10、11中的空气与涡旋气流6、7的混合。
图6所示第四实施例是图1中实施例的变型例，其中的气体通过槽40的长度较短，同时形成有这样一条直进气流偏转槽48，可以从其端部52延伸并得以沿切向与前侧气门凹腔37相连。根据此种结构，直进气流27通过直进气流偏转槽48被转向，使之沿切向引入前侧气门凹腔37之中，于此形成一股新的涡旋气流49，进一步促进了保持在前侧气门凹腔37中的空气与直进气流27的混合。
图7所示第五实施例乃是图6所示第四实施例的变型例，它已用于四阀型发动机中。其中，在活塞顶面8中形成有成对的前侧气门凹腔37，并从气体导向槽40的端部52延伸出两条直进气流转向槽48、48，使之沿切向与两个前侧气门凹腔37、37相通连。
图8所示第六实施例是图1中第一实施例的变型例，其中的气体导向槽40的形状变更成取矩形剖面形式。此气体通过槽40所取的具体形状是，随着它沿喷射孔4的喷射轴线距喷射孔4越远，它的深度从进口部4算起也越来越浅。气体通过槽40的左、右部分则分别连接左、右气门凹腔对10、11的较接近喷射轴线的相应部分42、43。
图9所示的第七实施例是图8所示第六实施例的变型例，其中还另形成有类似图5所示第三实施例中的那种隆起部66。
图10所示的第八实施例是图8所示第六实施例的一种变型例，其中的直进气流偏转槽48是从气体通过槽40的端部52延伸出，得以沿切向与前侧气门凹腔通连。
图11所示的第九实施例是图10所示第八实施例的变型例，它已应用于四阀型发动机，其中于活塞顶面8中有成对的前侧气门凹腔37，同时有两个直进气流偏转槽48、48从气体通过槽40的端部52延伸出，沿切向与上述两个前侧气门凹腔37、37相连通。
图12所示的第十实施例是图1所示第一实施例的变型例，其中省除了气体通过槽40。即使是在此第10实施例中以及在后面所述的第十一和第十二实施例同样省去了气体通过槽40，但那种涡旋气流6、7的涡流中心，仍然基本上形成于存在气体通过槽40时所取的位置处。
图13中所示的第十一实施例是图12所示第10实施例的变型例，其中只是一对气门凹腔10、11形成在此双阀型发动机中活塞顶面8中。
图14中所示的第十二实施例是图12所示第10实施例的变型例，它已应用于四阀型发动机，其中有一对前侧气门凹腔37、37，而它们各自的凹腔中心38、38则相对于假想横断线13，与气门凹腔10、11的各自凹腔中心16、17呈对称配置。根据此种结构，直进气流27碰撞着气缸22的内周面，反向流入形成新的涡旋气流39、39的前侧气门凹腔37、37，这同样使得各气门凹腔37、37中的空气能与直进气流27进行有效地混合。
本发明并不局限于上述各实施例。例如，前述的柴油发动机型式并不仅仅限于直立式发动机，也可以是卧式的或倾斜式的。副燃烧室1并不局限于涡室，也可以是预燃烧室。所述成对的左、右气门凹腔10、11也不局限形成在面向主燃烧室的活塞顶面8与气缸盖面9中的一个之内，也可以形成在两个上。
前面参照图3所示第一实施例中进气口28的结构，在不脱离其本质前提下，也可用于其它实施例中。
此外，一对气门凹腔10、11各自的凹腔中心16、17不仅可以设在偏离假想横断线13朝向喷射孔4的某个位置，还可设在此假想横断线13上，或设在偏离假想横断线13但朝向与喷射孔4相对一侧的某个位置上。此时，必须使涡旋气流6、7的生成位置通过下述方式而远离开喷射孔4，那就是使喷射孔4具有一小的仰角，而让这对涡旋气流的各涡流中心14、15与气门凹腔对10、11的各凹腔中心16、17基本上相重合。
最好是将气门凹腔10、11的各凹腔中心16、17设定在类似前述一些实施例中那样，从假想横断线13偏向喷射孔4的位置。这样，由于气门凹腔10、11以及涡旋气流6、7的位置较接近喷射孔4，这两股涡旋气流就能以较高的流速同凹腔10、11内的空气碰触，使它们得以更有效地混合。
从与气缸中心轴线3平行的方向观察，涡旋气流对6、7的各涡流中心14、15并不局限于定位气门凹腔10、11的各个凹腔中心16、17处，只要位于这对气门凹腔10、11之内即可。顺便指出，当各涡流中心14、15更接近各相应凹腔中心16、17时，气门凹腔对10、11中的空气常能同涡旋气流对6、7混合得更为有效，因此，最好将各涡流中心14、15定位于相应的设想的圆所环绕的各区域中，这些区域的中心与各凹腔中心16、17重合，而其半径等于各气门凹腔10、11之半径的2/3。
此外，更好是把各涡流中心14、15定位于相应的设想的圆所环绕的各区域中，这些圆域的中心与各凹腔中心16、17重合，而其半径则等于各气门凹腔10、11之半径的1/2、1/4或1/5、只要各涡流中心14、15是定位于气门凹腔10、11之中或定位于上述设想之圆所环绕的区域之内，从喷射孔4至各凹腔中心16、17的各个距离通常不会是相等的。
本发明上述的各实施例具有这样的特点，即当从喷射孔4所喷出的燃烧膨胀气体沿活塞顶面8自然流动时，使得上述这对涡旋气流6、7的各涡流中心14、15即处于气门凹腔对10、11之内。这就是说，以上各实施例并不具有这样的结构：借助气体通过槽与类似部件，使燃烧膨胀气流强行转向那对气门凹腔。要是利用气体通过槽与类似部件使燃烧膨胀气流强制转向，则在其到达这对气门凹腔之前，绝大部分就将从这种气体通过槽中溢流出去，而只有很少的燃烧膨胀气体能导引入该对气门凹腔中。
顺便指出，上述一些实施例中所述的气体通过槽40，仅仅是用来减小面向主燃烧室5的活塞顶面8与气缸盖面9之间的限流阻力，而并非是用来使燃烧膨胀气体强制转向到这对气门凹腔10、11的。正如前面所阐明的，考虑到涡旋气流对6、7的各涡流中心14、15不论在是否存在有气体通过槽40的条件下都能基本上定位于相同的位置，就可以理解到，燃烧膨胀气体是不会为气体通过槽40强制转向这对气门凹腔10、11的。
由于本发明的许多不同实施例易为熟悉本项工艺的人所理解，而其中的某些个实施例已在此公开并涉及到，故应认识到，上面给出的本发明的若干具体实施例是仅仅用于例释目的，而不是为了限制本发明，还应认识到，在不脱离本发明后附权利要求书所述及的精神与范围的前提下，是可以就这类实施例作出变动或更改的。