高涡流引擎的制作方法

专利名称：高涡流引擎的制作方法
技术领域：
此处所述内容涉及内燃机引擎的特征。
背景技术：
在内燃引擎中之油/气混合物的不一致点火会造成汽缸内燃料混合物的点火延迟及燃烧持续时间上的变动。此不一致性会导致该汽缸内高峰压力及温度的显著变动且在爆震限制式引擎中限制火花定时(spark timing)及/或压缩比，借以让靠近该爆震限度的火花定时的精确设定复杂化。在燃烧速率及燃烧持续时间上的变动亦会直接转变为在效率上的变动。指示平均有效压力(IMEP)的典型的系数(其代表汽缸的燃烧室内一整个循环的平均压力)可以是约1. 5%。换言之，假设一常态分布，在相同的燃料输入下，一千个循环中最没有效率的三个循环所产出的功比该一千个循环中最有效率的三个循环产出的功少了 9% (6x1.5%)。又，如果点火必需推迟以避开在最快的燃烧循环中的爆震的话，则会拖累到在其余较慢的燃烧循环中的点火定时，而这会累及扭力及效率。慢的火焰速率亦可限制火花点火在该燃烧循环中可以多晚被开始，同时仍能达到完全燃烧。目前的高涡流引擎的有效性通常是受到汽缸内的气体与汽缸壁之间因为产生于汽缸内的高速气体运动所造成的高热传率所限制。具有高速气体运动的传统引擎的有效性还会受到诱发高气体速度所需之进气通道内的压降的冲击。此压降会限制通过该引擎的汽缸的最大流量及可输出的最大动力。而且，在额外的燃烧稳定性之下，在一给定的IMEP的变动的系数，可点燃一更稀的油气混合物。

发明内容
在一态样中，一种内燃引擎可包括一在该内燃引擎的汽缸内的燃烧容积。该燃烧容积可至少由一汽缸壁及在该汽缸内的第一活塞来界定。一涡流埠可透过一涡流埠出口将一流体输送至该燃烧容积内，使得该被输送的流体以一流体速度被引导环绕该汽缸的周边，该流体速度系以远离该汽缸壁的曲线的切线一预定角度加以配置的，用以产生一涡流运动于该燃烧容积内。此该涡流运动系发生在一用涡流数来量化的涡流率，该涡流数系表示该流体在活塞的一循环期间环绕该汽缸回转的次数。在另一相关的态样中，一种方法包括经由一涡流埠将一流体输送至内燃引擎的汽缸的燃烧容积内。该燃烧容积至少是由一汽缸壁及在该汽缸内的第一活塞来界定。该被输送的流体以一流体速度被引导绕着该汽缸的周边，该流体速度系以远离该汽缸壁的曲线的切线一预定角度加以配置的。该被输送的流体的引导在该流体的点火之前产生一涡流运动于该燃烧容体内。该涡流运动系发生在一用涡流数来量化的涡流率，该涡流数系表示该流体在活塞的一循环期间环绕该汽缸回转的次数。在一些变化例中，可非必要地包含下列的一或多者。该引擎可包括一火花源，其点燃该燃烧容积内的流体。该涡流埠的一个入口可具有第一截面流面积。一包含该涡流埠出口的涡流埠出口区可具有第二截面流面积，其随着远离该入口的距离而减小。该涡流埠出口的尺寸(例如，宽度)不随着离该入口的距离而改变。该引擎可包括套筒阀其包括该涡流埠。该套筒阀可被设置成至少部分围绕该汽缸。该涡流埠可包括一截面积递减的管子。 涡流数可等于该流体在它离开该涡流埠出口进入该汽缸时的切线速度除以该汽缸的圆周与该引擎的曲柄轴的曲柄轴转速。该切线速度可以等于该流体通过该涡流埠出口进入该汽缸的离开角度的余弦值乘上该流体在该涡流埠内的流动速度。该引擎可包括一燃料喷注器其将燃料输送至该燃烧容积持续一段与该涡流率相符的燃料输送期间，用以将该被输送的燃料均勻地散布于整个燃烧容积。在此例子中，该内燃引擎可如柴油引擎般地操作。该引擎可包括一火花源及一燃料喷注器其用一与该涡流率相符的喷注定时(injection timing)将燃料输送至该燃烧容积，用以将该被输送的燃料均勻地散布于整个燃烧容积。在此例子中，该内燃引擎可如直接喷注火花点燃引擎般地操作。 该燃料喷注器可被引导用以在靠近汽缸壁处产生比汽缸中心处更富含燃料的混合物。该流体可包括空气，该火花源可被设置在该汽缸的周边，及该燃料喷注器可喷注燃料使得燃料的小滴与该被输送的流体混合，使得该涡流运动所引发的向心力将小滴推至该汽缸的周边以产生混合物梯度，其在周边处包含更富含燃料的区域让该火花源来点火。揭示于本文中的发明主体的一或多个变化的细节在附图及下面的描述中被提出。 揭示于本文中的发明主体之其它特征及优点，从描述及图式及从申请专利范围中将会很明
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包含在说明书中且构成说明书的一部分的附图显示揭示于本文中的发明主体的一些态样，且与具体实施方式
一起用来协助解释与所揭示的实施相关连的一些原理，在附图中图1为一示意图，其显示具有对冲活塞的内燃引擎的侧视图；图2为一示意图，其显示图1的该内燃引擎沿着线AA所切的的剖面图；图3为一示意图，其显示图1及图2的该内燃引擎沿着线BB所切的的剖面图；图4为一图表，其显示涡流埠入口区的减小面积为其环绕一汽缸的圆周位置的函数；图5为一示意图，其显示一没有队力活塞的内燃引擎的汽缸、阀调(valving)及其它特征的剖面图；图6为一图表，其显示从一内燃引擎汽缸的中心线向下看的一涡流埠的平面图；图7A及7B为图6的涡流埠的流动空泡(flow cavity)的前视图及立体图；图8A及8B为剖面图，其显示结合一高涡流埠之直接燃料喷注；
图9为一示意图，其显示一分裂的入口埠的剖面图；图10为一示意图，其显示一具有突出的窝流特征的分裂入口埠的剖面图；图11为一示意图，其显示能够减小涡流率的入口埠的剖面图；图12为一示意图，其显示一能够高或低涡流流体输送的入口埠的剖面图；及图13为一方法的处理流程图。
具体实施例方式发明主体可提供许多与以前可获得之工艺与技术相关的好处及优点。控制一流体 (如，空气、空气与燃料的混合物、或类此者)进入汽缸的角度在达成所想要的汽缸的燃烧容积内的燃料燃烧率上是很有用的。在一接近垂直汽缸轴线的方向上输送该流体可产生较慢的燃烧率但较高的效率，因为扰动程度较低，减少热损失至汽缸壁。描述于本文中的一或多种结构、技术、制造物、及类此者可单独地或相结合地被使用，用以根据所想要的但却不能同时存在的效能度量来将燃烧条件最佳化。大体上，在该燃烧容积中有更多流体的涡流能在低引擎负载时以相对低的热传递至汽缸壁来提供增强的燃烧特征。快速的燃烧率可被达成用以让一高压缩引擎有一推迟的点火条件，用以在大多数机动车辆内的引擎经常操作的轻负载时提供高效率。从推迟的点火条件的高涡流高燃烧率转变成较富含燃料的混合物的低涡流条件可在高负载下提供更佳的动力特征。一使用一或多个本发明的主体的特征的引擎，亦可如一柴油引擎或直接喷注火花点火引擎般地被操作，因为该燃烧容积内的高涡流特征可使用对该汽缸的直接燃料喷注来将被喷注的燃料扫过整个燃烧容积。当实施时，类似的标号标示类似的结构、特征或元件。示于申请专利范围中的特征的描述可包括譬如像是第一及第二、左及右、上及下等等用词来参考被描述的元件。应被了解的是，这些参考只打算作为用来区别具有类似的结构的多个元件或指出相对于图中的一或多个元件之被图示的方位的运动方向且不应被解读为揭示内容或所请之发明主体的范围的限制。为了解决上述及潜在的其它情况，本发明主体的实施例以一种可产生一旋转的流场于该燃烧容积内的方式提供可输送空气或空气/燃料混合物至一内燃引擎的燃烧容积的方法、系统、制造之物及类此者。所得到之该燃烧容积内的高涡流状态的流体流可改善燃烧引爆的均勻性、燃烧持续时间、点火定时、及类此者。内燃引擎的一些例子被揭露在共同系属且共同所有的美国专利第7，559，298号及美国专利申请案第12/720，457号中，其已藉由参考而被并于本文中。对于一给定的汽缸体积而言，该等被揭露的引擎可提供一非常大的阀面积。此一构型可有利地让一流体埠切线地或在相切于该汽缸壁的一预定的角度内输送空气/燃料混合物、只有空气、或一些其它流体进入该汽缸，使得一涡流进气运动(charge motion)最初被引进到该汽缸的孔轴线附近。该等入口阀及引擎形状的其它构型亦可利用揭露于本文中之发明本体的一或多个特征的好处。图1显示一组装好的对冲活塞引擎100的示意侧视图，该引擎包括两个活塞其分享一共用的汽缸且形成一由该等活塞及汽缸壁所界定的燃烧容积。其它的引擎构型，例如像是活塞被设置在分离的汽缸内且其燃烧容积是由该活塞、汽缸头、与汽缸壁所构成之引擎构型，亦是在本发明主体的范围内。
图2为图1所示之引擎100沿着切割线AA的剖面图。如图2所示，一涡流埠入口 202将空气/燃料混合物输送至一由引擎本体206所界定的汽缸204中。如图2所示，该引擎体206可包括一左壳体210及一右壳体212，它们被安装到一中央连接件214，其为一环的形式。该中央连接件214亦可包括一或多个火星塞套筒216，火星塞可被插入穿过该等火星塞套筒。该引擎100被建构成可让一左活塞220及一右活塞222沿着汽缸204的中心线 C往复运动于该汽缸204内。该左活塞220被连接至一左连接杆2M其接着连接至一左曲柄轴226。该右活塞222被连接至一右连接杆230其接着连接至一右曲柄轴232。该左活塞220往复运动于该汽缸204内，且可沿着该汽缸壁234左右滑动。该右活塞222亦往复运动于该汽缸204内，且可沿着该汽缸壁234左右滑动。图2显示一油路界定件236。一套统阀体240可相对于油路界定件236滑动至左边及右边(从图2的观点来看)。在图2中，左活塞220及右活塞222被设置在汽缸204 内，就如同当由该汽缸壁234、阀座214、及左活塞220与右活塞222的活塞头所界定的该燃烧容积为最小时，它们将会在上死点(top dead center) 一般。一引擎可被建构成可让该点活定时发生在该最小燃烧容积时、之前、或之后。图3为该引擎100沿着图2所示的切割线BB的第二剖面图。如图3所示，该套筒阀体240界定一引导一流体304的涡流埠302，该流体可以是空气/燃料混合物、只是空气、 一些气体的其它组合、及/或用来喷注至该汽缸204内之传输的(entrained)液体。该涡流埠302包括一涡流埠入口 306，该流以可经由该涡流埠入口进入，及一涡流埠出口区308 具有一涡流埠出口 310，该被输送的流体304经由该涡流埠出口离开该涡流埠302进入该汽缸204(如图2所示)环绕该汽缸204的壁的周边，用以在该左活塞220与该右活塞222的进气行程期间产生旋转流于该汽缸204的燃烧容积中。该被输送的流体304之切线方向的输出与该流体304在汽缸204的周边(例如，靠近汽缸壁234处)的输出的结合可在进气行程期间形成快速的旋转流场于汽缸204的燃烧容积内部。此有秩序的流动可持续整个循环，使得当该燃烧容积内的气体被点燃时，火焰被快速地扫过该燃烧容积造成一极快速且可再现的燃烧事件。该涡流埠出口 310在图3及后续的图式中，以虚线被示出用以表示在汽缸壁234 上的一开口或一系列的开口，其可让流体304通过从该涡流埠出口区308进入汽缸204的燃烧容积内。在一些较佳的实施中，该涡流埠出口 310可以是该汽缸壁234上环绕该汽缸 204的圆周的至少一部分之宽度大致固定的槽口的形式。非必要地，该涡流埠出口 310可以是该汽缸壁上多于一个之宽度大致固定的槽口的形式，这些槽口系连串地被配置环绕该汽缸204的圆周的至少一部分。涡流埠出口的其它的构型、形状、或尺寸亦是在本发明主体的范围之内。使用可以引发进入内燃引擎的汽缸的燃烧容积内的流体的涡流运动的进气阀，例如图3所示之具有涡流入口埠304的套筒阀体M0，在产生上述流体的流体动力于一汽缸的燃烧容积内是有利的，因为它可容许该混合物进入该汽缸环绕该汽缸的整个周边。其它构型的阀亦可被使用，只要它们能够产生旋转的流场于内燃引擎汽缸的燃烧容积内。例如，提动阀或被设置在标准的内燃引擎的汽缸头处的其它进气阀可以只能产生旋转流条件于该进气阀的附近，该附近区域在许多例子中系具有该汽缸的直径的一半或比该汽缸的直径的一半稍微大一些的直径。在该直径的一半处，该气体的转速必需是全直径入口的转速的两倍，用以获得相同的汽缸内(in-cylinder)旋转速度。为了要达到相同的涡流，必需对进入的进气(incoming charge)施加更多的泵功(pumping work)，这可减少空气流及限制该引擎的扭力及/或动力。如上文所述，图3显示流体304经由该涡流埠出口区308内的涡流埠出口 310进一步输送至汽缸204的燃烧容积，使得该流体沿着汽缸壁234的周边进入汽缸204。如上文所述，该涡流埠出口 310可以是该汽缸壁234上的一个开口或多个开口，该被输送的流体 304经由该等开口离开该涡流埠出口区308进入汽缸204的燃烧容积。为了环绕该套筒阀 240的内壁312的大部分圆周的涡流埠出口区308，譬如在图3中所示者，该涡流埠出口 310 开始及结束在或靠近该涡流埠302的终止结构314。如图3所示，该涡流埠出口区308的截面流面积(即，垂直于流动方向所取之截面的面积)可随着流体304从该涡流埠入口 306 流至该涡流埠出口区308而沿着截面AO (其系靠近该涡流埠入口 306)至A7 (其系靠近该终止结构314)单调地递减。该涡流埠出口区308之递减的截面流面积造成流体304在其横越该涡流埠出口区308经由该涡流埠出口 310沿着汽缸壁234进入汽缸204且朝向汽缸 204的中心轴线316涡漩。动量守恒原理预测出该流体304在汽缸204的中心轴线316处的旋转比该流体304在其刚进入汽缸204时的旋转速度还要快。图3显示流体304的旋转是绕着该中心轴线316，该中心轴线系纵向地穿过活塞的几何中心(参见图2)。理论上，如果在某一半径320处，例如从该中心轴线316至该涡流埠出口区308的外壁322，存在一切线速度的话，则动量守恒要求用于一给定流率及气体压力之递减的半径 320造成气体绕着该中心轴线316的角速度递增。此角速度的增加不只因为该涡流埠出口区308的递减的截面面积所造成，还是因为该被输送的流体304包含一接近该汽缸壁234 的切线速度，及该流体304被活塞220及222撤退(withdraw)时抽空的空间朝向该中心轴线316拉引。介于该中心轴线316与该涡流埠出口 310的外壁322之间的该递减的半径 320可在后退中的活塞220及222将流体以螺旋的方式往内朝向该中心轴线316拉引的同时引发沿着或接近汽缸壁234的高速流体流，用以进一步提高在该汽缸204内之该被输送的流体304的角速度。与本文中描述之本发明主体相反地，一离开设置在汽缸头处靠近该中心轴线316的提动阀的混合物被导入到一汽缸的中心。经由此阀被引入的流体的角速度会随着流体的流场朝向汽缸壁扩张而降低。被输送至该汽缸204的燃烧容积的流体304的涡流率可根据本发明主体的特定应用来加以改变。一高的涡流率可提高引擎100的热传特性。然而，高的涡流率亦会影响爆震 (knock)抵抗性及高压缩比的耐受度。引擎100的这些特征通常需要平衡。高的涡流率亦可改善燃烧速率，其可让火花定时被推迟。换言之，火花可在开始不点火(onset misfire) 或其它燃烧不稳定之前，在燃烧循环中慢一点发生或在晚一点的曲柄角度发生，使得爆震程度可被减小且即使是在一大的压缩比下在汽缸204内的高峰压力可被保持在一所想要的范围内。该引擎100可在全开节流阀下于推迟的定时(retarded timing)运转用以限制爆震并牺牲某些效率，同时在部分开节流阀下于更进阶的点火定时(更靠近或在MBT)运转，用以在低动力条件下能够高效率地操作。这些低动力条件是载客车辆特别有兴趣的，因为全动力很少能达到，且通常持续时间不长。对冲活塞引擎，譬如图1及图2中所示及上文所述的引擎100，相对于其它内燃引擎结构而言，包括一用于热传递之减小的表面积，该热传递系来自汽缸的燃烧容积内的燃烧气体。此等引擎因此受到来自该燃烧容积内的高速气体之增大的热传递的冲击小于其它内燃引擎所受的冲击。在一些实施例中，该左活塞220及右活塞222可包括低热传导材料或由低导热性材料制成。一在活塞的TDC位置具有低的燃烧容积的表面积对体积比的引擎在某些实施例中可具有直径相对小的活塞，其包含的散装材料(bulk material)因而比其它内燃引擎内的活塞少。在一非限制性的例子中，在该引擎100内的活塞至少部分地由低导热性材料，譬如铸铁，来形成。该等活塞使用低导热性材料可让更多在燃烧事件中产生的热被保留在气体内并用来作功。产生高涡流率于汽缸204的燃烧容积内可让引擎达到高效率又不需要一可变压缩比。一包含本案揭示的发明主体的一或多项特征的引擎在某些例子中可利用火花先进控制来在部分打开节流阀下用先进的定时在大节流阀时容许一推迟的或延迟的点火条件。作为一示范性的非限制性的例子，歧管或文氏管真空(venturi vacuum)可被用来提供先进的点火控制。该汽缸204内之被输送的流体304的涡流率在一些实施例中可藉由改变套筒阀体MO的出口埠区域104的截面积Al来调整。在一些实施例中，移动通过该涡流埠出口区 308的被输送的流体304的平均埠流速可以是90m/sec。“平均埠流速”一词指的是当流体移动通过该涡流埠出口区308时该流体的任意名义上的(nominal)平均速度。在该涡流埠出口区308内的该流体304的平均流速可改变，这会造成流体204在该汽缸204内涡漩，其速度比曲柄轴速率快约6倍或更多倍。例如，这些数值可在小孔引擎中被达成或什至超过。 在汽缸204内的涡流可与该涡流埠出口区308的截面积成正比。如果该涡流埠出口区308 的截面积Al被增大，则进入汽缸204的流体304的切线速度会被降低。相类似地，该流体 304的涡流的旋转速率亦被降低。该流体304从该涡流埠出口区308进入汽缸204横越该涡流埠出口 310的角度可随着流体304的切线速度而改变。在该涡流埠出口区域中之一高的切线流体速度可造成浅的进入角度因为当流体304从该涡流埠出口区域横越该涡流埠出口 310至该汽缸204时它将沿着汽缸壁234被引导，而在该涡流埠出口区域中之一低的切线流体速度可在流体304从该涡流埠出口区域横越该涡流埠出口 310至该汽缸204时造成流体304的一陡峭的进入角度。一浅的角度可减小有效的阀打开面积，这可限制通过该阀之最大流体流量。此外，该涡流埠302可被设计成让该涡流埠入口 306的管状截面以所想要的角度接近该涡流埠出口区308让流体304从该涡流埠出口区308通过进入汽缸204。 因此，一种具高涡流的设计将具有一较小的最大质量流及在涡流埠入口 306接近该涡流埠出口区308时(例如在图2中的截面Al处)更切线的涡流埠入口 306配置。因此，一为了低涡流而设计的涡流埠302可提供一较大的最大流量及在涡流埠入口 306接近该涡流埠出口区308时经过一较大的涡流埠入口 306的角度。 图3显示该涡流埠出口区308的截面积(截面积A1-A7，每一者都是从该涡流埠出口区308的外壁322测量至套筒阀MO的内壁31 其面积系从位在该涡流埠出口区308 的开头处的Al (最大的截面积)逐渐地减小至该涡流埠出口区308到达该终止结构314处 (其在某些实施例中可以是从该涡流埠出口区308的开头算起的约340°处)的实质为零。 图3显示涡流埠302的可能截面积A1-A7的一个例子。这些截面积随着流体304通过该涡流埠出口区308并进入汽缸204而减小。该涡流埠出口区308的截面积的减小迫使一部分的流体304经由该涡流埠出口 310进入汽缸204的燃烧容积，这可产生该流体304的流动的径向分量。如果该涡流埠出口区308的截面积没有如图3所示地逐渐减小的话，则流体304较佳地将在该涡流埠出口区308的末端进入汽缸204(即，在遭遇到该终止结构314 时)，这会实质地限制该阀的有效面积。在此设计中，角动量将主导性地把流体304保持着靠近该涡流埠出口区308的外壁322，直到流体304遭遇到该终止结构314为止。同样如图3所示的，该涡流埠出口区308的终止结构314可被设置成它与一条与该汽缸204的内壁234相切的线形成一角度θ。在一非限制性的示范例中，该角度θ可以是约30度。其它的角度亦是在本发明的范围内。该涡流埠入口 306亦可发必要地包括一稍微的弯曲或包括一或多个非直线的结构。该涡流埠入口 306可替代地或额外地被设计来迫使燃料小滴(droplet)，例如燃料如图3所示地被喷注器3 及330喷注至该涡流埠入口 306内或附近，用以在这些燃料小滴在截面Al处进入该涡流埠出口区308撞在该套筒阀体 240的热的套筒表面上。图4为一图表400其依据本发明主体的一示范性非限制性的实施例画出该涡流埠出口区308内缩减的路径面积是汽缸204的中心轴线C周围的圆周位置的函数。该涡流埠出口区308内的该路径或凹穴402介于该涡流埠出口区308的外壁322与该汽缸壁234之间的径向宽度被示于图4中，其中0°表示该涡流埠出口区的开头处且流体流环绕着汽缸 204的圆周前进于顺时钟方向上。在环绕该汽缸204的圆周的每一点处介于该涡流埠出口区308的外壁322与该汽缸204的孔半径(即，介于该中心轴线316与汽缸壁234之间的距离)之间的距离与垂直于该观看平面的埠口深度的乘积(product)可界定用于该涡流埠出口区308中的凹穴内的流体的截面积，及整体地为该涡流埠302的截面积。或者，为了一具有圆形截面积的涡流埠出口区308(例如在Al至A7的每一点以及介于它们之间的所有点)，用于该涡流埠出口区308内的凹穴的流体(及用于涡流埠302整体)的截面积可以是(η /4)乘上在每一点介于该涡流埠出口区308的外壁表面322与汽缸204的孔半径之间的距离的平方。图4显示该涡流埠出口区308的外壁322的一圆周地递减的周长，该涡流埠出口区具有一带有阿基米德螺旋形状的圆形截面，该阿基米德螺旋形状中截面积线性地减小，其系绕着该汽缸204的中心轴线316的径向角度的函数。在此形状中，大致相等数量之被输送的流体304可藉由通过该涡流埠出口 310在该涡流埠出口区308周围的任何角度位置处进入该汽缸204。其它截面形状及构造的涡流埠出口区亦是在本发明主体的范围内。例如，该涡流埠出口区308的截面积不一定要随着径向角度线性地减小，阿基米德螺旋形状以外的螺旋形状可被使用。而且，该凹穴的深度可被调整用以改变截面流面积。用于一特定的涡流埠302的特定尺度及形状可根据引擎构造及设计要求来改变。有利地，该涡流埠出口区308的截面积绕着汽缸204的圆周从该涡流埠入口 306至该涡流埠出口区308 的终止结构314单调地减小。在一些实施中，当该阀被关闭时，在该歧管内没有流动。当该阀打开时，介于该歧管与汽缸的内部之间的压力差造成该流体流开始流动。图5显示本发明主体用于传统内燃引擎500的另一实施例，在该引擎中一汽缸502 只包含一个活塞504，其活塞头506与汽缸壁510及汽缸头512 —起界定一燃烧容积。一套筒阀514可输送流体(其可以是空气、燃料/空气混合物、或一些其它流体或其组合)至该燃烧容积使得一涡流运动以一种类似于上文描述的方式被产生在该燃烧容积内。该套筒阀 514可被设置在该汽缸头512内或如图5所示沿着汽缸壁510被设置。替代地或额外地， 一或多个提动阀516可被设置成一构造，其可将一流体或多种流体以一类似的方式输送至该燃烧容积。图5所示的示范性且非限制性的例子包括一套筒阀514其沿着该汽缸体壁移动以控制通过一用来产生涡流之入口涡流埠520的进气流，及一在该汽缸头512的中心的单一提动阀516，其如排气阀般地操作。该提动阀516不一定要设置在汽缸头512的中心。 一或多个火星塞522可被设置在受该提动阀516控制之该排气埠524的边缘与汽缸壁510 之间。同样示于图5中的是活塞连接杆526、曲柄轴530、入口阀弹簧532、及用来协调该提动阀516与该套筒阀514的操作的设备。该设备可包括，例如，一排气阀弹簧534、一摇臂 536、一凸轮M0、一入口阀推杆M2、及一入口阀致动器M4，如图5所示。其它的构造亦是在本发明主体的范围内。示于图5中的该引擎构造亦可与单一套筒阀514及多个用来控制多个排气埠524 的提动阀516—起使用。一或多个火星塞522亦可被有利地设置来配合此一构造。在一些实施，离开该入口涡流埠520进入该燃烧容积的燃料小滴可被朝向汽缸壁510导引用以造成靠近该燃烧容积的周边的流体混合物更富含燃料且更容易点燃。在此例子中，利于火星塞522的位置可以是一或多个在该汽缸头512内靠近汽缸壁510的位置及在汽缸壁510中类似于图2所示的结构。如所描述地产生的混合物梯度可被使用在单活塞及对冲/双活塞引擎构造两者中。示于图5中的引擎构造亦可包括单一个截面积相对小的提动阀516其设置在该汽缸头512内靠近该汽缸510的中心轴线。该提动阀516可如一入口阀般地作用，而该套筒阀514则如一排气阀般地作用。与让该提动阀516控制排气埠5M并负责一大部分的汽缸头512的表面积相比较，此构造也许不能达到相同的蓄热特性，但可提供更高的压缩比，因为该进气阀保持在一较低的温度因此爆震倾向可被降低。此构造将被输送的流体引导至汽缸的外面(如图3所示)，其如上所述地可产生较低的涡流速度于该燃烧容积内。然而，根据一引擎的特定特征，此一阀构造及所产生的较低的涡流条件仍可达到本文所讨论的一或多个优点。图6及图7A及7B显示一包含本发明主体的涡流埠之套筒阀体240 —连串的图式。 图6显示该具有图3所示的涡流埠302之套筒阀体MO的前视图。如图所示，该套筒阀体 240包括一安装板602用来安装至引擎本体206。该涡流埠302包括一涡流埠入口 306及一涡流埠出口区308。在该涡流埠出口区308内让一流体从该涡流埠出口区308通过到达该汽缸内的燃烧容积内的开口在图6中是看不到的，因为它被一凸缘面604挡住。如图6 所示且如上文中讨论的，该涡流埠出口区308的截面积从该涡流埠入口 306朝向该涡卷状的该涡流埠出口区308的末端减小。为了示范的目的，该涡流埠302的一些截面积被示于图6中(如，A2、A3、A4、A5)且对应于图3所示的截面积。在图6所示的设计中，该涡流埠出口的面积投影(其为阀升程(valve lift)乘上汽缸的圆周)约为在该涡流埠入口 306 处之截面流面积的两倍。相关于该汽缸排气量及引擎设计速度的选择来选择在该涡流埠入口 306处之截面流面积可界定该流体304在输送至该燃烧容积时的切线速度。与净径向速度相结合的此切线速度可决定该流体流流过该阀开口的角度。此角度可决定该阀的有效面积，因为该有效面积可以至少约等于流过该阀开口的流体流的正弦分量与该阀开口的投影面积的乘积。 因为图6中的涡流埠出口 310的投影面积是在该涡流埠入口 306处的截面流面积的两倍， 所以一 30度的角度可被用于该流过该涡流埠出口 310(其亦可被想作是该阀开口)的流体流。以此方式，该阀的投影面积被减小sin30°，这可给予从该涡流埠入口 306至该流体在该涡流埠终止结构314处进入到该汽缸204的最终出口的该流体304 —近乎固定的速度， 即使在该流体304流动于该汽缸204的周边周围时该流体304被持续地从该涡流埠出口区 308经由该涡流埠出口 310输送至汽缸204的情况中亦然。图17A及17B显示该涡流埠302内的凹穴402的两种表现方式，流体304移动于该凹穴内，从该涡流埠入口 306通过该涡流埠出口区308。在图7A及7B中，在该涡流埠302 内的凹穴402为了易于观看而被显示为一实心的构件。如图所示，凹穴402的截面积从该涡流埠入口 306通过该涡流埠出口区308减小至该终止结构314。亦如图7A及7B所示，整个凹穴402不必有相同的或什至是相似的形状。虽然上文已描述通过该埠口的燃料与空气的混合物，但描述于本文中之发明主体亦可应用在用于直接式的汽缸内燃料喷注之只有空气的气流上。直接喷注可在一用于火花点火之以汽油作为燃料的循环的早期阶段被实施或在一以柴油作为燃料的循环中在接近上死点(TDC)处被实施。一或多个喷注器可被用来将燃料散布在该燃烧容积内。此构造可结合传统的柴油杯或圆锥活塞来使用，或与一具有对冲活塞结构的引擎结合使用，用以利用上文中提到的动量守恒来将已经很高的涡流在该汽缸的中心压缩至更高的数值。一种与本发明主体一致的喷注策略包括了用与该燃烧容积内的空气的旋转速率成正比的速率喷注燃料。例如，对于燃料是在30度的曲柄角度内被引入且在该燃烧容积内部的涡流速率是曲柄轴转速的6倍的引擎而言，透过两个被汽缸的直径分隔开的喷注器输送的燃料在燃料被喷注的同时造成一半的空气进量被扫过每一燃料喷注器，借以造成该燃料藉由该空气被均勻地分布。一如上文所述之喷注定时(injection timing)可得到该燃烧容积内一相对低的压力上升率的结果。替代地或额外地，一早期喷注可被用来在主要喷注之前升高该腔室温度及压力，使得用于后续的燃料的点火延迟可被最小化。一短的点火延迟及一长的喷注持续时间可造成一低的压力上升率，这可降低引擎结构的负荷并可以有更轻的构造，及更有经济效益的引擎。在一些实施中，产生尺寸够小的的喷注小滴使得一小滴的动量最多只能将小滴载送至横跨该汽缸204的半途是有利的。图8A及8B分别显示沿着一汽缸的中心轴线316及垂直于该中心轴线观看的剖面图。一具有涡流埠入口 306的涡流埠302及一涡流埠出口区 308 ( 一涡流埠出口 310设置于其内)可提供空气至该汽缸204内的燃烧容积。两个燃料喷注器802可被设置来将然料小滴804引导至该燃烧容积内。让燃料小滴804之被喷注的卷流(plume)成为宽且扁平用以将与活塞220的接触减至最小是有利的。额外地或替代地， 活塞顶806可被塑形用以避开燃料小滴804的卷流。图9显示一实施例的结构，其中一涡流埠900能够在一实质地垂直于该汽缸中心轴线316的方向上或与汽缸壁234更正切地输送空气至一汽缸204。该涡流埠900包括一入口 902其被分割成一第一区段904及一第二区段906。在轻负荷及空气流时，该第一区段 904可被关闭或堵住，例如用一阀或类此者，借以强迫所有进入的空气通过打开的第二区段 906，用以在该流体离开与该第二区段906流体连通的该埠出口区908时引发该流体流的一切线分量并经由一埠出口 910进入该汽缸204。该埠出口区908与该第二区段906流体连通的部分可具有上文讨论的该涡流埠出口区308的一些结构特征。然而，如图9所示，该埠出口区908的这个部分不能横越与上文讨论的及图3所示的该涡流埠出口区308所能横越的汽缸204的圆周一样多。第一区段904及第二区段906可为了在较高的引擎负荷时有较高的效率而被打开，以容许一具有较不明显的紊流程度及较少的热损失的高流体流率。图 10显示图9所示的实施例的进一步变化，其可在高负荷时产生增大的涡流速率。该埠出口区908可被扩大用以包括一更大部分的汽缸204的圆周，使得当该入口 902的第一区段904 被关闭时，经由该第二区段906被输送至该汽缸204的流体可被输送通过一埠出口 910，其横跨更大部分汽缸204的圆周，借以施予更大的切线速度及引发更显著的涡流于该燃烧容积内。在典型的驾驶条件下，引擎最常在轻负荷下操作。一提高的涡流速率可扩大贫乏操作(lean operation)操作范围，用以将NOx减至最少。图11显示减小的涡流速率埠1100，在此埠内该埠速度可在该汽缸204的输送角度被增加以降低切线速度的同时被保持在或接近定值。以此方式，使用该汽缸的整个周边可能会是不恰当的，如果该埠出口 910及埠入口 902的截面流面积与上文讨论的相同的话。例如，如上文讨论的，一涡流埠在一些实施例中可具有六(6)个涡流，这表示在该汽缸204中的流体流在它将活塞带动上下一次的时间内绕着该汽缸204完成了六次旋转。 此条件可在一示范性例子中被达成，该例子将该涡流埠设计成可在一埠出口 910 (阀)打开之下提供一固定的90m/sec的流速，该埠出口只能支援45m/sec的流速如果该流体流垂直该埠出口 910的开口到达的话。为了要保持该流体流速度固定，该流体304可以30°的角度到达该埠出口 910的开口，这可有效地将该埠出口 910的有效开口面积减小一半(sin30° =0. 5)。为了要让流过该埠的流体304在它通过该埠出口 910的开口时保持在90m/sec的速率，该切线速度等于cos30°乘上90m/sec的流体流速度或等于78m/sec。该78m/sec除以该汽缸204的圆周(即，π乘上汽缸孔直径)，其在此示范性例子中为51mm，得到在该汽缸孔的外径处约每秒480转。在4800rpm时，这产生6的涡流率。为了要在减少涡流数的同时维持该90m/sec的流体流速度，该流体流经由该埠出口 910进入该汽缸204的角度必需被增加，使得该流体流速度的切线分量被减小。例如，如果该流体流以60°而不是30° 的角度通过该埠出口 910的话，则COS60°是0. 5，所以该流体流速度在该汽缸204内的切线速度为90m/sec乘上0. 5，或等于45m/sec，其等于在上述的示范例汽缸中约每秒240转， 借以给予3的涡流数。然而，此修改亦改变了该埠出口 910(阀开口)的有效面积，即有效面积乘sin30°再除以sin60° (因为对于被形塑成一个环绕该汽缸204的圆周之具有固定宽度的槽口的埠出口 910而言，埠出口 910的有效面积为进入角度的正弦值、该孔的周边、及该埠出口 910或阀开口的高度的乘积)。因此，为了要将该流体流速维持固定，该埠出口 910(阀开口)的投影面积应被减小sin30°除以sin60°的比率。此投影面积的减小在一些实施例中可藉由将阀升程(该埠出口 910的开口的高度)以此比率减小，或藉由将该出口埠区908 (及类似地该埠出口 910)延伸环绕该汽缸204的圆周的程度以此比率减小来达成。如果该埠出口 910环绕该汽缸204的圆周的程度被减小的话，则当该流体具有一较高的径向速度及一较慢的切线速度时必需将该埠出口区908的截面流面积更快地渐缩 (taper)，用以让它从在该入口埠902处的截面流面积渐缩至零。此问题的一示范性的解决方案将会是把介于如图3中所示的终止结构314与该汽缸壁234之间的角度θ改变成60 度且让该该埠出口区908只围绕该汽缸204的圆周约(0. 5/0. 86)乘上360° = 207°。因此，如上述的例子所示，在该汽缸204中一低涡流率可需要一低的进入该汽缸之流体的切线速度。然而，维持相同的流动速度会造成一相对应地很高的径向速度。如果该流体以一高流率离开该埠出口 910进入该汽缸204的话，则必需减小该埠入口 910的投影面积，用以在该流埠内维持相同的流体速度。这可藉由使用一较短的阀升程(较小的槽口形埠出口 908的高度)或藉由缩短围绕长度(一槽口形埠出口围绕该汽缸204的圆周的程度较小)来达成。图12显示入口埠1200的另一个例子，其可产生一涡流条件于一汽缸内。一弹簧或节流阀致动的导流片1202可被用来在低负荷时将流体流导至该埠入口 902的一侧并在高负荷时容许流体流被引导于环绕该汽缸204的两个方向上。该导流片1202可在低负荷时施予特别高的切线速度，用以进一步提高该贫乏操作极限。图13显示一用来操作内燃引擎的方法的处理流程图1300。在1302，该方法可包括经由一涡流埠输送流体至一内燃引擎的汽缸的燃烧容积内。该燃烧容积至少是由一汽缸壁及该汽缸内的活塞所界定。在1304，将该被输送的流体可以一流体速度被引导环绕该汽缸的周边，该流体速度系以远离该汽缸壁的曲线的切线一预定的角度被设置。在1306，该被输送的流体的引导可在该流体点火之前产生一涡流运动于该燃烧容积内。该涡流运动可在一用涡流数量化的涡流率发生，该涡流数代表该流体在活塞的一循环期间绕着该汽缸回转的次数。描述于本文中之本发明的主体可根据所想要形态被体现为系统、设备、方法、及/ 或物件。在上述描述中提出的实施方式并不代表所有与本文中描述的本发明的主体一致的实施方式。相反地，它们只是一些与本发明的主体相关的态样一致的例子。虽然数个变化例已于上文中详细地加以描述，但其它修改或增加亦是有可能的。详言之，除了本文中提到的之外，还有其它的特征及/或变化可被提供。例如，描述于上文中之实施方式可被导向所揭示的特征的各式组合及次组合及/或揭示于上文中之数种其它特征的组合及次组合。此夕卜，描绘于附图中及/或描述于本文中的逻辑流程并不必定需要依照所示的特定顺序，或连续顺序，来达到所想要的结果。其它的实施方式亦是在下面的申请专利范围的范围内。
权利要求
1.一种内燃引擎，包含在该内燃引擎的汽缸内的一燃烧容积(combustion volume), 其至少是由一汽缸壁及在该汽缸内的一活塞所界定；及一涡流埠，其经由一涡流埠出口将一流体输送至该燃烧容积内，使得该被输送的流体以一流体速度被引导环绕该汽缸的周边，该流体速度系以远离该汽缸壁的曲线的切线一预定角度加以配置，用以产生一涡流运动于该燃烧容积内，该涡流运动系发生在一用涡流数来量化的涡流率，该涡流数系表示该流体在活塞的一循环期间环绕该汽缸回转的次数。
2.根据权利要求1项所述之内燃引擎，包含一火花源，其将该燃烧容积内的该流体点燃。
3.根据权利要求1项所述之内燃引擎，其中该涡流埠的入口具有第一截面流面积，及包含该涡流埠出口的一涡流埠出口区具有一第二截面流面积，其随着离开该入口的距离而减小，及其中该涡流埠出口的大小不随着离开该入口的距离而改变。
4.根据权利要求1项所述之内燃引擎，更包含一套筒阀，其包含该涡流埠，该套筒阀被设置成至少部分环绕该汽缸，其中该涡流埠包含一截面积递减的管子。
5.根据权利要求1项所述之内燃引擎，更包含一燃料喷注器，其将燃料输送至该燃烧容积持续一段与该涡流率相匹配的燃料输送期间，用以将该被输送的燃料均勻地散布于整个燃烧容积，其中该内燃引擎被建构来如一柴油引擎般地操作。
6.根据权利要求1项所述之内燃引擎，更包含一火花源及一燃料喷注器，其用与该涡流率相匹配的一喷注定时(injection timing)将燃料输送至该燃烧容积，用以将该被输送的燃料均勻地散布于整个燃烧容积，其中该内燃引擎被建构来如一直接喷注火花点火引擎般地操作。
7.根据权利要求6项所述之内燃引擎，其中该燃料喷注器被引导用以在靠近该汽缸壁处，产生比在该汽缸中心处更富含燃料的一混合物区域。
8.根据权利要求6项所述之内燃引擎，其中该流体包含空气，该火花源被设置在该汽缸的周边，及该燃料喷注器喷注该燃料使得该燃料的小滴(droplet)与该被输送的流体混合，使得该涡流运动引发的向心力将该等小滴推至该汽缸的周边以产生混合物梯度，其在该周边处包含更富含燃料的区域让该火花源点火。
9.根据权利要求1项所述之内燃引擎，其中该涡流数等于该流体离开该涡流埠出口进入该汽缸时该流体的切线速度除以该汽缸的圆周及除以该引擎的曲柄轴的曲柄轴旋转速率。
10.根据权利要求9项所述之内燃引擎，其中该切线速度等于通过该涡流埠出口进入该汽缸内的该流体的离开角度的余弦值乘上该流体在该涡流埠内的流动速度。
11.一种方法，包含经由一涡流埠将一流体输送至一内燃引擎的汽缸内的燃烧容积中，该燃烧容积至少是由一汽缸壁及在该汽缸内的一活塞所界定，将该被输送的流体以一流体速度引导环绕该汽缸的周边，该流体速度系以远离该汽缸壁的曲线的切线一预定角度加以配置；及藉由引导该被输送的流体，用以在该流体点火以前，产生一涡流运动于该燃烧容积内，该涡流运动系发生在一用涡流数来量化的涡流率，该涡流数系表示该流体在活塞的一循环期间环绕该汽缸回转的次数。
12.根据权利要求11项所述之方法，包含用由该燃烧容积内的一火花源所产生的火花，点燃该燃烧容积内的流体。
13.根据权利要求11项所述之方法，其中该涡流埠的入口具有第一截面流面积，及包含该涡流埠出口的一涡流埠出口区具有一第二截面流面积，其随着离开该入口的距离而减小，及其中该涡流埠出口的大小不随着离开该入口的距离而改变。
14.根据权利要求11项所述之方法，更包含一套筒阀，其包含该涡流埠，该套筒阀被设置成至少部分环绕该汽缸，其中该涡流埠包含一截面积递减的管子。
15.根据权利要求11项之方法，更包含用一燃料喷注器将燃料输送至该燃烧容积持续一段与该涡流率相匹配的燃料输送期间，用以将该被输送的燃料均勻地散布于整个燃烧容积，其中该内燃引擎被建构来如一柴油引擎般地操作。
16.根据权利要求11项所述之方法，更包含如一直接喷注火花点火引擎般地操作该内燃引擎，该操作包含用一燃料喷注器以与该涡流率相匹配的一喷注定时，将燃料输送至该燃烧容积，用以将该被输送的燃料均勻地散布于整个燃烧容积；及用一火花源点燃该被散布的燃料。
17.根据权利要求16项所述之方法，其中该燃料喷注器被引导用以在靠近该汽缸壁处，产生比在该汽缸中心处更富含燃料的一混合物区域。
18.根据权利要求16项所述之方法，其中该流体包含空气，该火花源被设置在该汽缸的周边，及该燃料喷注器喷注该燃料使得该燃料的小滴与该被输送的流体混合，使得该涡流运动引发的向心力将该等小滴推至该汽缸的周边以产生混合物梯度，其在该周边处包含更富含燃料的区域让该火花源点火。
19.根据权利要求11项所述之方法，其中该涡流数等于该流体离开该涡流埠出口进入该汽缸时该流体的切线速度除以该汽缸的圆周及除以该引擎的曲柄轴的曲柄轴旋转速率。
20.根据权利要求19项所述之内燃引擎，其中该切线速度等于通过该涡流埠出口进入该汽缸的该流体的离开角度的余弦值乘上该流体在该涡流埠内的流动速度。
全文摘要
一种内燃引擎可包括一在该内燃引擎的汽缸内的燃烧容积(combustion volume)。该燃烧容积可至少由一汽缸壁及在该汽缸内的第一活塞来界定。一涡流埠可经由一涡流埠出口将一流体输送至该燃烧容积内，使得该被输送的流体以一流体速度被引导环绕该汽缸的周边，该流体速度系以远离该汽缸壁的曲线的切线一预定角度加以配置，用以产生一涡流运动于该燃烧容积内。
文档编号F02B23/08GK102482986SQ201080036862
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月20日
发明者西蒙.D.杰克逊, 詹姆斯.M.克利维斯, 迈克尔.A.霍克斯 申请人:品纳科动力有限公司