专利名称：多模式高效内燃机的制作方法
技术领域：
本申请所描述的主题涉及内燃机，尤其涉及在提高的压缩率下运行并且抗爆的内燃机。
背景技术：
内燃机通常用于为机动车以及其他应用提供动力，这些应用包括用于草地割草机以及其他农业和园林绿化设备、发电机、泵马达、船、飞机和类似物。对于机动车的典型的驾驶周期，主要的燃料的消耗发生在车辆的内燃机的低负载和空载运行过程中。类似地，内燃机的其他使用的特点也可以是更频繁地在功率输出的使用，而较少用于提供开放的节流阀条件。然而，由于机械摩擦、热量转移、油门调节以及其他消极地影响性能的因素，火花点火的内燃机固有地在高负载时具有更高的效率，在低负载时效率低。在低引擎负载时的效率有时能通过提高引擎的压缩率而改善。压缩率是空气-燃料混合物在点火前被压缩的程度的测量，其被定义为引擎燃烧腔的扩张体积除以引擎燃烧腔的压缩的体积。在标准的奥托循环引擎的高的压缩率通常导致活塞在动力冲程进行更长的扩张，从而相比较于在较低的压缩率运行的引擎做了更多的功。使用辛烷值为87的汽油驱动的汽车的压缩率通常范围约是8. 5 I至10 :1。引擎能达到的最大的压缩率可被在高温下的不受控制的空气-燃料混合物的提前(在打算的定时之前)点火所限制，通常称为引擎爆震问题。爆震可由当混合物被暴露在高温下充分长的一段时间，燃料分解为更易燃的分子碎体所引起。暴露在高温下可引起这些碎体引起在正常的燃烧包络之外的不受控制的爆炸。例如，自燃通常发生在活塞到达压缩冲程的上止点(TDC)位置之前，因此在一些情形中，爆震可发生在活塞经过TDC以开始扩张冲程之前。自燃也可发生在扩张冲程，因为尾气被加热并被已经燃烧的混合物所压缩，使得燃烧混合物的存储区域在正常的燃烧包络(combustion envelope)之外点燃。引擎爆震引起燃烧腔内的听得见且潜在有害的压强波。爆震是与更普遍的自燃问题相关的特定问题。在本说明书中，自燃指的是点火独立于火花被点燃的例子，如均质着火或由在火花事件前的表面点火所引起的燃烧。高压缩率以外的多种因素可影响特别的爆震以及普通的自燃。一般地，相比于高辛烷值汽油，低辛烷值汽油可以在较低的温度自发地点火。引擎中的热壁或高活塞温度也趋向于增加对空气-燃料混合物的加热，从而增加燃料自燃的趋势，因其会产生局部的热点，例如围绕着排气阀，可引起对空气-燃料混合物的局部的加热，并在热点的区域爆震。空气-燃料混合物的快速燃烧率，例如由高紊流所引起，促进了良好的混合以及燃料的快速燃烧，能够降低自发燃烧的可能性。然而，高的进入流动区域的紊流也可增加在进入空气-燃料混合物的温度的升高，其增加了自发燃烧的可能性。将在混合物中的燃料的量增加至化学计量可增加释放的能量，从而释放尾气的压强的温度，并能影响爆震的趋势。提前的点火定时也可产生高峰值压强和温度，从而在某些情形下有助于自燃。许多传统的内燃机通常被配置为四冲程奥托循环，奥托循环的理想的版本由图1A的图表40所示出。四冲程奥托循环包空气/燃料阶段50、等熵的压缩阶段52、恒定体积的燃烧阶段54和等熵的扩张阶段56、放气阶段58和排气阶段60。在压缩阶段52，活塞以与动力阶段56扩张的相同程度来压缩混合物。奥托循环通常的特点是在高负载时具有最高的效率，在低负载时具有实质上降低的效率(例如，当在节流条件下运行)。泵相对于节流阀的损失也可能是显著的。奥托循环的对称也可以引起有限的效率。在奥托循环的引擎中，节流阀通常用于限制对部分负载运行的气流。节流阀限制进入歧管的气流，使得引擎从该降低压强的区域拉出空气。因此将空气泵送至引擎中的功典型地比用阀限制气流时高。相反地，阿特金森循环通过利用减少泵送做功的非对称循环，以提供比奥托循环更高的效率。当引擎工作在阿特金森循环时，有效的空气/燃料压缩冲程相对于动力扩张冲程被缩短。这可以通过例如保持进气阀在空气/燃料进入冲程的一部分时间内关闭而实现，从而减少进入压缩冲程的空气/燃料混合物的量。几何压缩率系指接近由燃料的辛烷值所施加极限被压缩有限量的进入(charge)。压缩的混合物然后被点燃并且通过扩张冲程被扩张，该扩张冲程长于压缩冲程。图1B的图表61示出了阿特金森循环的第一理想的版本。在接近阿特金森循环的早期的进气阀的这个例子中，空气-燃料混合物可以在阶段62被引入，而不需要改变压强，直到体积Vtl的混合物进入。在该点，进气阀关闭，且进入冲程的第二部分64继续，且不再允许更多的混合物进入。在进入冲程的第二部分64，腔中的压强降低，因为体积持续扩张且没有加入额外的空气。在绝热阶段66，混合物被压缩，在燃烧阶段68以恒定的体积燃烧，并且在动力阶段70绝热地扩张。废气在放气阶段72之后的废气阶段74被取出。图1C的图表80示出了阿特金森循环的第二理想版本。在接近阿特金森循环的晚期的进气阀的这个例子中，进气阀在整个进入冲程82和压缩冲程的第一部分84被打开，直至进气阀关闭。在进气阀关闭以后保持在燃烧腔中的混合物的体积Vtl在绝热阶段86被压缩，在燃烧阶段88以恒定的体积燃烧，并且在动力阶段90绝热地扩张。废气在放气阶段92之后的废气阶段94被取出。因此，在阿特金森循环，扩张阶段70和90相对于压缩阶段66和86被增加。阿特金森循环通过对给定的压缩率在压缩冲程取出更多的功，在低负载时提高了效率。阿特金森循环通常不能为高负载引擎运行提供高功率密度。然而，由于功率密度极限，传统引擎中的阿特金森循环通常仅用于低负载。可使可用多种阀时序和多种压缩率以使引擎在低功率时运行在阿特金森模式，并且在高功率时运行在奥托循环，或对称模式。一种实现这种类型的运行的方法是晚期进气阀关闭(LIVC)策略，诸如例如图1C中所示并且上文中所讨论的。
发明内容
在一个方面,此处揭露一种方法,包括向内燃机的燃烧体积传输流体，所述流体包括至燃烧体积的进入空气，该方法采用方式为所述流体提供足够的运动以在所述燃烧体积内生成至少阈值量的紊流，所述燃烧体积由至少一个气缸壁和活塞所限定。在完成混合物的燃烧之前，与所述进入空气和燃料的所述混合物接触的所述燃烧体积内的内表面被保持在处于或低于第二目标温度。以效率模式运行所述内燃机，以提供在零到过渡功率输出水平之间的第一功率输出范围，以及以功率模式运行所述内燃机，以提供在所述过渡功率输出水平和最大功率输出水平之间的第二功率输出范围。所述效率模式包括使用第一点火定时以及所述混合物的第一空气/燃料比率，所述第一点火定时和所述混合物的所述第一空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率所选择，以防止所述混合物在所述效率模式下的过早自燃。所述功率模式包括使用第二点火定时以及所述混合物的第二空气/燃料比率，所述第二点火定时和所述混合物的所述第二空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率所选择，以防止所述混合物在所述功率模式下的过早自燃。在一第二相关方面，内燃机包括传输流体的进入端口，所述流体包括至燃烧体积的进入空气。所述流体被以足够在所述燃烧体积内产生至少阈值数量的紊流的传送的数量的运动被传输。所述燃烧腔的一个或多个内表面被保持在处于或低于第二目标温度。所述一个或多个内表面包括气缸的气缸壁，所述气缸内的活塞，以及与所述进入端口或排出端口相关的至少一个阀。包括一个或多个控制设备，使得所述内燃机运行在效率模式以提供在零到过渡功率输出水平之间的第一功率输出范围，以及功率模式以提供在所述过渡功率输出水平和最大功率输出水平之间的第二功率输出范围中的至少一个。所述效率模式包括使用第一点火定时以及所述混合物的第一空气/燃料比率，所述第一点火定时和所述混合物的所述第一空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率所选择，以防止所述混合物在所述效率模式下的过早自燃。所述功率模式包括使用第二点火定时以及所述混合物的第二空气/燃料比率，所述第二点火定时和所述第二空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率所选择，以防止所述混合物在所述功率模式下的过早自燃。在一些变形中，以下特征中的一个或多个可以可选地被包含在任何可行的组合中。第一空气/燃料比率 和第二空气/燃料比率，可以是相对于为正在被燃烧的燃料提供化学计量比率的空气/燃料比率的实际的空气/燃料比率(分别为^和入2)，均可以约为I。可选地，第一空气/燃料比率(A1)可以随着过渡功率输出水平接近，从大于约1.3逐渐减小，以及第二空气/燃料比率(入2)可约为I。第一点火定时在约最大制动转矩，以及所述第二点火定时可以逐渐延迟以在所述最大功率输出接近时，逐渐地迟于最大制动转矩。可选地，所述第一点火定时可以在所述过渡功率输出水平接近时，逐渐从约最大制动转矩延迟。在所述燃烧体积内的峰值压强被获取，以及所述混合物的10%至90%的燃烧持续时间发生在经过所述活塞的上止点位置约35°之前。可选地，所述燃烧体积内的峰值压强在经过所述活塞的上止点位置的约10°至35°的范围内获取，以及所述混合物的10%至90%的燃烧持续时间发生在先于经过所述活塞的上止点位置约35°之前。对于约为87的辛烷值，所述压缩率可选地大于约14 :1。在所述功率模式下的所述压缩率可以低于在所述效率模式下的所述压缩率。可选地，在所述功率模式下的所述压缩率可以约等于在所述效率模式下的所述压缩率。所述过渡功率输出水平可以发生在在所述最大功率输出水平的制动平均有效压强的约70%处。可选地，所述过渡功率输出水平可以发生在在所述最大功率输出水平的制动平均有效压强的约60%处。
向所述燃烧腔传输所述流体还包括，通过空气进入路线将所述进入空气从空气A 口导入至进入端口，所述空气进入路线包括对引擎热量的有限的暴露，使得所述进入空气保持处于或者低于第一目标温度，该第一目标温度在一些实施例中可以比第二目标温度低。所述进入端口包括传输所述流体至套筒阀和/或提升阀的导管，使得当所述套筒阀和/或所述提升阀被打开以传输所述流体至所述燃烧体积时，所述流体在所述流体进入所述燃烧腔时，获取涡旋运动和/或翻滚运动。所述进入端口和/或导管还可以或者可选地包括罩盖，被配置为在所述燃烧腔中提供所述被传输的流体的翻滚运动。可选地或者额外地，所述活塞的第一部分和气缸头或第二活塞在所述内燃机的压缩冲程内被带入邻近区域，而所述活塞的第二部分不接近，使得所述混合物被迫使从所述邻接近区域出来，进入在所述燃烧体积中的较大的体积，从而引起所述较大体积中的紊流。与所述进入端口或排出端口相关的至少一个阀可被积极地冷却，在一个非限制的例子中被冷却系统冷却，以将所述至少一个阀保持在所述第二目标温度以下。所述第二目标温度低于在所述内燃机的运行条件下活塞顶部温度。多个点火点在所述燃烧体积中被提供，以缩短所述混合物燃烧的持续时间。本文描述的主题的实现可以提供一个或多个优势。例如，运行在典型的驱动循环的机动车在本文描述的某些实施例中，与先前可获得的方案相比可获得30%的燃料经济节约，但仅需要增加很少的引擎的成本。此外，在燃烧腔内的高负载可以允许足够稀薄(lean)的混合物从而显著地减少有害的含氮的和/或氮氧化物的形成。这使得这些车辆不需要昂贵或复杂的排放控制，就可以达到严格的排放标准。本文描述的主题的一个或多个变形的细节在所附的附图和描述中给出。本文所描述的本主题的其他特征和优势从描述、附图和权利要求中更明显得出。
所附的附图，被并入并组成说明书的一部分，显示了本文公开的主题的某些方面，并且与说明书一起有助于解释与所公开的实施例相关的某些原理。在附图中图1A、图1B和图1C示出了说明了理想的奥托循环和理想的阿特金森循环的两个例子的特征的图；图2是说明了具有与当前主题一致的一个或多个特征的方法的过程流程图；图3是显示了具有与当前主题兼容的一个或多个特征的引擎的截面图；图4是图3所示的引擎的另一个截面图；图5是显示了具有与当前主题兼容的一个或多个特征的另一个引擎的部分的截面图；图6显示了具有与当前主题兼容的一个或多个特征的另一个引擎的部分的截面图；图1显示了与图6所示的阀配置一起使用的摇杆的俯视图；图8A和图SB分别是显示了能够对经过的流体产生紊流运动的提升阀配置的特征的透视图和截面图；图9A和图9B分别是显示了使用提升阀在气缸产生紊流的侧截面图和俯视截面图；图10是比较在一定范围的功率输出的使用当前的主题的特征的引擎和传统的引擎的制动效率的图；图11是比较在一定范围的功率输出的使用当前的主题的特征的压缩率为15 I且使用可变的火花定时的化学计量空气/燃料比率的引擎和以压缩率为9I运行的传统的引擎的制动效率的图；以及图12是比较在一定范围的功率输出的使用当前的主题的特征的压缩率为15 I且使用可变空气/燃料比率和可变的火花定时的引擎和以压缩率为9I运行的传统的引擎的制动效率的图。当适用时，相似的附图标记表示相似的结构、特征或元件。
发明详述内燃机可以由机械上复杂的并且相对昂贵的特征所构造，这些特征被设计以提高性能和效率从而适应典型的使用循环，其中，引擎可以频繁地在节流阀没有大开时运行。例如，可变的阀定时、可变的压缩率以及类似物已被显示出可用于产生具有高效和高功率密度的引擎，尽管不是同时。然而，为了便宜制造而设计的引擎通常限制在相对简单的机械结构，因此不容易包括这些特征。为了应对现在可获取的方案的这些以及潜在的其他问题，本主题的一个或多个所述提供方法、系统、制造品或产品，以及类似物，在其他可能的优势中，能够提供达到在引擎负载的更广的范围内提高的燃料效率内燃机，并且因此能够提为典型的动力循环供提高的效率。内燃机的其他应用，包括但不限于农业和园林绿化设备、发电机、泵马达、船、飞机和类似物，也可以从提供的对较大范围的引擎负载的提高的效率收益。与当前主题的实施例一致的内燃机可以在低和中负载时以改进的效率工作，还在高负载时提供了高功率密度。因此在引擎运行条件下效率能够被最大化，引擎运行条件是最频繁使用的并且主要的燃料在引擎运行条件下被消耗。根据实施例，对于低和中引擎负载，例如直到大约6巴制动平均有效压强(BMEP)，引擎可以最开始在全部的节流阀以最大制动转矩(MBT)定时运行在“高效”模式，包括大开节流阀(WOT)稀薄空气-燃料混合物。在效率模式下，对于常规的87的辛烷值汽油运行，引擎可以运行在约15 I的压缩率。在传统的引擎中，这样的压缩率可需要火花被进一步延迟，从而限制了能够达到的效率。然而，当前的主题包括多个特征，使得在该范围内压缩率不产生引擎爆震。这些特征可包括相对低燃烧温度中的一个或多个(例如来自稀薄空气-燃料混合物或者通过限制在进入燃烧腔之中和之前该空气和/或燃料所暴露的热源)，来自于进入空气和/或燃料的紊流的快速燃烧次数，以及相对地缺乏热点的燃烧腔。这些特征在以下将更详细地解释。相对于低燃烧温度的高压缩率，以及打开节流阀可以在低至中等负载运行条件下产生高效引擎性能，低至中等负载运行条件，最多的燃料在动力循环运行中被消耗。一个或多个高紊流、快速燃烧、抗爆震的燃烧腔，以及此处描述的其他特征可以允许使用比即便使用化学计量的空气-燃料混合物的常规可能更高的压缩率。对于在稀薄运行中可获得的最大以上的负载，引擎可以运行在第二“功率”模式，其中，空气/燃料被减少，以提供更多的混合物(例如，接近化学计量)和更多的动力。值得注意的是，汽油的典型的化学计量空气/燃料比率约为14. 7空气质量单位每质量单位的燃料。为了本公开的目的，空气/燃料比率将根据实际空气/燃料比率相对于化学计量的空气/燃料比率的比率进行讨论，其通常由希腊字母、(lambda)指代。在这些较高的压强下控制引擎的属性，从而防止爆震，包括调整火花点火的定时晚于MBT定时。在效率模式和功率模式之间转换在一些例子中可在约6至7巴BMEP下发生。然而，随着科技的进步，诸如例如将更多的空气移入引擎的能力，从效率模式转换到功率模式可以发生在更高的BMEP。排放或者其他限制条件在某些实现中可以要求转换在较低的BMEP下发生。发明的技术的这些和其他额外的特征在下文中将更详细地解释。图2示出了说明了具有与当前主题的实施例一致的一个或多个特征的引擎运行方法的过程流程图。在202，包括至少一个进入空气的流体(并且可以，在一些实施例中，包括进入空气和燃料)被传输到内燃机的燃烧腔。该传输为流体提供足够的运动以在燃烧体积内生成至少阈值量的紊流，燃烧体积由至少一个气缸壁和活塞所限定。一旦点火被启动，阈值量的紊流可足够引起空气-燃料混合物的快速燃烧。例如，在一些实施例中，阈值量的紊流使得燃烧腔中的峰值压强被获取，以及混合物的10%至90%的燃烧持续时间发生在活塞到达TDC的约35°之前，或者可选地在经过TDC后的约10°至35°的范围之间。在一些实施例中，流体在第一目标温度以下被传输，例如，通过积极地冷却空气(通过热交换或者类似物)，通过与引擎隔间中的过度热量的源隔离或者物理分离的一个或多个导管，引导空气。在204，在完成混合物的燃烧之前，将与进入空气和燃料的混合物接触的燃烧体积内的内表面保持在处于或低于第二目标温度，该第二目标温度在某些实施例中低于在所述内燃机的运行条件下活塞顶部温度。第一和/或第二阈值温度可以被选择以降低燃料-空气混合物自燃和/或引起爆震的趋势。在206，内燃机在效率模式运行，其中，功率输出处于在零到过渡功率输出之间的第一功率输出范围。效率模式包括使用第一点火定时以及混合物的第一空气/燃料比率，第一点火定时和混合物的第一空气/燃料比率被联合地选择以防止在第一功率输出范围运行引擎的混合物的过早自燃。第一点火定时和第一空气/燃料比率的选取，在一些实施例中可以被表示为实际的空气/燃料比率相对于为正在被燃烧的燃料提供化学计量比率的空气/燃料比率的比率(八)，其可以根据燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率来进行。在210，内燃机在功率模式运行，其中，功率输出是在过渡功率输出水平和最大功率输出水平之间的第二功率输出范围。功率模式包括使用第二点火定时以及混合物的第二空气/燃料比率，第二点火定时和混合物的第二空气/燃料比率被选择，以防止混合物在第二功率输出范围过早自燃。第二点火定时和第二空气/燃料比率的选取，在一些实施例中可以被表示为实际的空气/燃料比率相对于为正在被燃烧的燃料提供化学计量比率的空气/燃料比率的比率(入2)，可以根据燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率来进行。描述和/或调整引擎的运行的控制器和/或状态检测器能够进行在图2所涉及的一个或多个功能。在一些实施例中，效率模式可在引擎的最大制动平均有效压强(BMEP)约0. 2至0.7的范围之间，而功率模式可以在大于最大BMEP约0.7直至最大BMEP的范围之内。可选地，效率模式可在最大BMEP的约0. 4至0. 6的范围之间，而功率模式可以在最大BMEP约0.6直至最大BMEP的范围之内。最大BMEP可在一些实施例中在约8巴至15巴之间。至少部分地根据被使用的燃料的辛烷值，14 :1或15 :1或更高的压缩率可被使用。例如，当前的主题可以被用于柴油机引擎或与压缩的天然气，其中，压缩率可以高达18 1,20 1，甚至更高。通过为最大效率的稀薄运行(例如，\大于I)设定在上止点(TDC)之后的约10°至15°之间的峰值压强，可以为给定的燃料辛烷值确定被使用的压缩率。指示的平均效率压强变化的系数有利地可以少于5%，可在爆震极限启动操作大开的节流阀。加入至燃烧腔的空气中的紊流和/或燃料-空气混合物可以被用于获得快速燃烧的持续时间，不需要过多的燃料的预热，否则燃料的预热可引起爆震。直接将燃料注射入燃烧腔(例如，作为液体)可以用于限制燃料在升高的温度下的停留时间，并提供防爆。使用一个或多个本文描述的方法或其他类似的变形，可以获取进入空气和/或燃烧腔的内表面的温度控制。在燃烧循环，第二目标温度可有利地被保持在低于最大活塞顶部温度；其可以，例如在约200°C到350°C之间变化，或者在约250°C到350°C之间变化，并且可以在一些例子中低于约300°C，或者可选地低于约400°C，或者类似的情况。在一些实施例中，第一目标温度也可以被保持在在第二目标温度的特定的范围内或者之下。在图2所示的方法的实施例中，如上所述,化学计量或者接近化学计量的燃料混合物可被用于第一空气/燃料比率(A1)和第二空气/燃料比率(入2)。也即，在引擎的效率模式和功率模式下，空气/燃料比率，入，被保持处于或者接近I。在效率模式下的第一点火定时可以处于或者接近最大制动转矩(MBT)，其在有些情形中发生在TDC之前，使得在燃烧体积内压强在经过TDC后的约10°到15°达到峰值。随着引擎的负载增加以及功率输出超过过渡功率输出，使得引擎必须运行在功率模式，第二点火定时可以随着引擎上的负载的增加，逐渐地从MBT延迟。采用上述的实施例，在具有一个或多个以下描述的特征的引擎中，尽管存在不引起爆震的化学计量的燃料/空气混合物，点火定时的延迟可实现。在与本实施方式一致的一些例子中，燃烧腔内的峰值压强可有利地在经过上止点的35°之前达到，且在燃烧腔内燃烧整个燃料的10%至90%间的持续时间，可有利地发生在经过上止点的35°之前或者可选地在经过TDC的25°之前。在图2所示并且如上讨论的方法的另一个实施例中，第一空气/燃料比率(入J可大于1(即，稀薄混合)并且在整个效率模式是可变的。随着在效率模式下引擎上的负载向过渡功率输出增加，引擎的功率输出通过逐渐地减少燃料/空气比率(X)被增加。例如通过从高度稀薄朝向接近化学计量、=I的混合物移动。第一点火时序(例如，在效率模式期间)可处于或者接近在最低功率的最大制动转矩(MBT)。在该例子中，定时可以在需要时在达到过渡功率输出之前被延迟，从而减少爆震。随着引擎上的负载的增加以及功率输出超过过渡功率输出，使得引擎必须运行在功率模式，第二点火定时可以随着引擎上的负载的增加，逐渐地从MBT延迟。在具有一个或多个以下描述的特征的引擎中，尽管存在不引起爆震的化学计量的燃料/空气混合物，点火定时的延迟可实现。在与本实施方式一致的一些例子中，燃烧腔内的峰值压强可有利地在经过上止点35°之前达到，且在燃烧腔内燃烧整个燃料的10%至90%之间的持续时间可有利地发生在经过上止点的35°之前。图3示出了能够实现当前主题的特征的内燃机300的截面图。该引擎的进一步的细节和类似的引擎在US专利号为7，559，298，名称为“InternalCombustion Engine” (内燃机)和未决的US专利申请号12/860,061(以公开号No. 2011/0041799A1公开)标题为“High Swirl Engine”(高镟润引擎)中被描述,上述中的每个都被转让给即刻公开的主题的所有者，并且本申请参考引用并入了如上所述专利或专利申请的全部内容。如图3所示，空气进气进入端口 301传输空气，该空气或者单独传输或者作为空气-燃料混合物的一部分传输至气缸304，气缸304由引擎主体306所限定。如图3所示，引擎主体306可包括安装在中心连接件314上的左铸件310和右铸件312，中心连接件314可以是环形的形式。中心连接件314可还包括一个或多个火花塞套筒316，火花塞可以通过火花塞套筒316被插入。引擎300被配置使得左活塞320和右活塞322沿着气缸304的中心线C在气缸304内往复运动。左活塞320连接至左连接杆324，左连接杆324连接左曲柄轴326。右活塞322连接至右连接杆330，右连接杆330连接右曲柄轴332。左活塞320在气缸304中往复运动，并且可滑动地沿着气缸壁334可向左和向右移动。右活塞322也在气缸304中往复运动，并且可滑动地沿着气缸壁334可向左和向右移动。图3示出了活塞配置，其中，两个活塞在同一个气缸304中以相反的方式被安排，从而在上止点(TDC)的燃烧腔主要由活塞320，322和气缸壁334所限定。在与本主题的一个或多个特征一致的其他引擎的设计中，气缸壁、在一端的活塞和在另一端的气缸盖可以限定燃烧腔。引擎300中的活塞320、322的直径可小于常规的活塞的直径，并且不需要气缸盖。省略单独的气缸盖并且使用较小的气缸直径可在燃烧腔中提供低表面积与体积比，如在本文其他地方指出的是，可以限制从燃烧腔的热传输损耗。对于热传输的在其他情形下会损失的热量，可以替代地有助于由活塞320，322在它们的功率冲程过程中所做的功(例如，使功率冲程更接近理想绝热条件)。在一些实施例中，引擎300的相反的活塞安排的优势在于，通过具有低表面积与体积比，热量逸出的燃烧腔的表面积被最小化。结果是，增加的来自高速度或高紊流的燃烧混合物的热量传输对引擎300的影响可比其他引擎安排更小。在一些实施例中，由于比其他引擎设计中的活塞直径小，活塞320，322可包括低热传导率材料(可选地包括但不限于铸铁和类似物)。使用低传导率的材料可以使更多在燃烧事件中产生的能量能被保持为气体从而可用于做功。图3还示出了与左铸件310相关的第一冷却剂路径限定件336，以及与右铸件312相关的第二冷却剂路径限定件338。一个或多个套筒阀主体340，342可以是相对于各自的冷却剂路径限定件336，338可滑动的向左和向右移动(从图3的角度)。如图3所示，第一套筒阀主体340与左铸件310相关，以及第二套筒阀主体342与左铸件312相关。第一套筒阀主体340可与进入端口 301 —起运行，并且第二套筒阀主体342可与排出端口 344 —起运行。在图3中，左活塞320和右活塞322如它们在上止点(TDC) —样设置在气缸304中，且燃烧体积，在该例子中在其最小时由气缸壁336和左活塞320和右活塞322的活塞盖所限定。与本主题的实施例一致的引擎可被配置使得点火定时发生在最小燃烧体积之前、之时或者之后(在上止点之前、之时或者之后)，如本文其他处所描述。在传统的引擎中，除了增加燃烧腔的表面积，气缸盖容纳进入和排出提升阀。这些阀限定了燃烧腔中的局部的热点，可能达到高达650°C的温度。如前述所指出的，局部的热点可以是引擎爆震的一个主要的促成因素。传统的进入和排出阀还可以在引擎300中被省略，如图3所示，替代地替换为由第一套筒阀主体340所覆盖的进入端口 301，以及由第二套筒阀主体342所覆盖的排出端口 344。第一套筒阀302在打开和关闭进入端口 304之间往复运动。第二套筒阀342在打开和关闭排出端口 344之间往复运动.进入端口、排出端口和套筒阀的进一步的细节在以上被引入的美国专利7，559，298和美国公开No. 2011/0041799A1中已公开，但是相关的是进入和排出阀并未限定燃烧腔中的局部的热点。它们大部分保持在靠近TDC的活塞顶部，并且还保持在典型地低于400°C的第二目标温度的温度，例如使用如本文描述的一种或多种方法。这些相对低的温度可降低向空气-燃料混合物的热量传输,从而增加爆震边缘并且实现高的压缩率。更进一步地，虽然通过气缸壁434减少热量传输是有利的，将进入空气、燃料和空气-燃料所暴露的气缸壁434和其他内表面保持在足够低的温度，从而在燃烧中降低或者消除尾气(最后将被燃烧的气体)的自发燃烧也是重要的。引擎可以通过在第一和/或第二套筒阀302，342周围循环的冷却液从而移除热量来实现。这样的冷却系统的进一步的细节在以上被引入的美国专利7，559，298中已公开，但是更普遍地，冷却液可以通过围绕套筒部分302，304的外表面的凹槽被泵送。热量从套筒部分302，304对流至冷却媒介，然后被冷却媒介从系统中移除。图4是图3所示的引擎300的沿着如图3所示的剖切线B-B的第二截面图400。如图4所示，第一套筒阀主体302限定引导流体404的进入端口 301，流体404可以是空气/燃料混合物，单独的空气，或者其他的一些其他组合，和/或夹带液体，用于注射入气缸304中。图4的进入端口 301包括漩涡端口进口 406，流体通过该漩涡端口进口 406进入，以及漩涡端口出口区域408，具有漩涡端口出口 410，输送的流体404通过漩涡端口出口 410离开进入端口 301沿着气缸壁334的外围进入气缸304(如图4所示)，以在活塞的进入冲程中在气缸304的燃烧体积内产生旋转流动。值得注意的是，在图3所示的引擎300中，左活塞320和右活塞322以相反方向移动。以切线方向传输的被传输的流体404和在气缸304的外围的流体404 (例如靠近气缸壁334)的进入的组合可引起在进入冲程的气缸304的燃烧体积内的快速旋转流动区域。这种有序的流动可在循环中持续，从而当在燃烧体积内的气体被点燃时，火焰迅速地扫过燃烧体积，从而导致非常快速并且非常可重现的燃烧事件。具有图4所示的一个或多个特征、且参考图4被描述的与进入端口 302 —起使用的套筒阀主体302可以与任何配置的引擎一起使用(例如，不仅与配置了共享共同的气缸304的同轴活塞的引擎一起)。如图4所示的套筒阀主体302对于在燃烧体积内产生有序的紊流流动非常有效，因为其允许混合物围绕气缸的整个外围进入气缸304。其他类型的阀(例如，提升阀)可允许主要围绕进入阀产生紊流流动条件，其最大仅稍微大于气缸304的之境内的一半。套筒阀配置的较低的泵送损失可实现，因为对于更少的活塞做功，类似的旋转流动运动可以获取。随着流体404通过端口向气缸304传送，进入端口 301的截面面积A1-A7变得逐渐减小。流体可经过的减小的截面面积可引起混合物404的流动沿着气缸壁334进入气缸334，并且朝向气缸304的中心轴C形成漩涡。流体404的旋转可以围绕中心轴C，该中心轴C如图3所示穿过活塞的几何中心沿着纵向延伸。在此给定配置的情况下，流体404可被朝向中心C以螺旋形地牵引进入由活塞的向下冲程产生的低压区域。当缩回的活塞将流体404拉入气缸304时，进入端口 301的出口沿着气缸壁334引进具有高速度的流体404。该动作引起朝向气缸304的中心C的向内运动，以增加气缸304内的流体404的旋转速度。与该安排相反地，离开传统的提升阀的混合物可被实质上地引入气缸的中心，并且随着混合物向气缸壁334扩张，混合物的速度可降低。具有端口或阀的引起与套筒阀一样大的紊流的提升阀(popprt valve)引擎可引起相对于套筒阀的经过阀的增加的压强降。然而，使用以下描述的一个或多个特征，使用提升阀也可提供本主题的一个或多个优势。气缸304中的流体404的涡流比可以变化。高涡流比或者燃烧体积内的其他类型的运动密集，可能的紊流，流体流动可增加向或者穿过气缸壁334和燃烧体积的其他内表面的热量传输。然而，这种类型的流体运动也可以促进燃烧体积内的空气-燃料混合物的快速燃烧。这在引擎爆震是温度和时间两者的函数时非常有益。即使燃烧的混合物可以达到爆震可另外发生的温度，进入混合物的紊流能够通过比燃烧足以自发燃烧所需要的时间燃烧更加迅速阻止爆震的发生。该爆震边缘的增加可进一步地允许在效率模式的更高的压缩率，以及在本文描述的高功率模式下的更少的自燃迟延。由紊流进入混合物促进的热量传输以及抗爆之间的折中对于不同的引擎可以平衡和优化。气缸304中的混合物M的涡流比可以通过改变进入端口 301的横截面积Al来调整。在一些实施例中，穿过进入端口 301的混合物M的平均端口流动速度可以达到90米每秒。术语“平均端口流动速度”指的是在空气穿过端口 301时的空气的任何标称的平均速度。在端口 301的混合物M的平均流动速度可以变化。这可以导致混合物M在气缸304中打旋的速度比曲轴转速(例如，在小孔引擎中)快约六倍。气缸304中的漩涡可以与端口 301的截面积成比例。如果端口 301的截面积Al增力口，则进入气缸304的混合物M的切线速度减少。相应地，混合物M的漩涡的旋转速度也降低。混合物M进入气缸304的角度随着其切线速度而变化。高切线速度造成浅的角度，低切线速度造成深的角度。浅的角度减低有效的阀打开面积，限制经过阀的最大流动。此外，进入端口 301可以被设计，使得进入端口 301的管状部分在流动预期经过阀的开口的角度接近阀。具有高的漩涡的设计可在进入端口 301接近阀时具有较低的最大的大流量以及进入端口 301的更切线的布置。相应地低漩涡的端口 301具有较大的最大流量以及向着阀的更陡的接近。能够提供能够在燃烧腔中产生期望的紊流的不同量的漩涡以及其他输送的流体运动的进入端口的其他的例子，在先前已引入的美国专利申请公开No. 2011/0041799AI被更详细地描述。图4还示出了进入端口 301的出口为进入气缸304的混合物M形成角度0。在一些实施例中，角度e可以是90°，流动从单独的象限到达。以这种方式，为流动引入翻滚运动而不是漩涡运动可引起紊流。然而，在本主题范围之内的不同的实施例中，角度可0在约90°到切线范围之间，并且流动可以来自多于一个象限。图4示出了进入端口 301的漩涡端口进口 406可包括轻微的弯曲(例如，是非线性的)。进入端口 301的漩涡端口进口406可被设计为有利地使得燃料液滴(例如通过一个或多个燃料喷射器426，430注入漩涡端口进口 406)，以撞击在套筒阀主体340的热的套筒表面，以在这些燃料液滴在截面Al进入进入端口 301时引起蒸发。在一个实施例中，进入端口 301可以具有直径24. 9mm(55mm-22. 5mm)。使用该例子，端口 104的面积为486mm2，当端口 301中的气流按平均活塞速度和气缸体积比例缩放，为以4000rpm转速运行的250cm3引擎提供了大约90m/s的气流速度。这些尺寸是示例的，并不意在限制本文描述的技术的范围。这些尺寸和数值对于不同的引擎配置和设计要求会变化。提升阀可被积极地冷却，以降低引擎中的热的表面。这可以通过在阀杆腔中加入金属钠来实现。可选地或者附加地，冷却剂可在中空的阀杆或者中空的阀头和杆中被流入或流出，如下所述。图5示出了示例的引擎500的一部分的一个例子，该引擎500具有以上所描述以外的阀配置，但仍与本主题所提供的一个或多个优势相一致。进入端口 502和排出端口 504被设置在引擎的气缸盖506之中或者临近引擎的气缸盖506，该引擎具有在其自身的气缸304中的一个或多个活塞的每一个。如图5所示的穿过进入端口 502的流动被第一提升阀组件所控制，第一提升阀组件包括进入阀头510，进入阀杆512，以及进入阀座514，而穿过排出端口 504的流动被第二提升阀组件所控制，第二提升阀组件分别包括排出阀头516，排出阀杆520，以及排出阀座522。围绕气缸304的气缸座524以及临近第一和第二提升阀组件的气缸头506可包括冷却剂流动通道526，通过该通过，冷却剂，例如水，水中的防冻的溶液，油，或者类似物可被传输，以对流地消除由在气缸304的燃烧体积内的燃烧产生的热量。在图5所示的配置中，示出了在气缸头506的中央的单独的火花塞530。火花塞530的其他位置或者其他点火源也在本主题的范围之内。多于一个火花塞或者其他点火源也可被使用。多个阀组件可包括阀杆密封532，摇杆臂或阀提升臂534连接至一个或多个凸轮，以激活(例如，打开)阀，线圈或弹簧536促使阀进入关闭位置抵住阀座514或522。弹簧保持器540保持住弹簧536.阀头510和516，阀杆512和520，阀座514和522，以及阀组件的其他部件中的一个或多个可包括一个或多个高热传导率的材料，以利于由这些阀部件将从燃烧的燃烧混合物接收的热能，热传导至气缸座524和/或气缸头506，并从该处至冷却流动通道526中的冷却剂。可用在阀部件中的具有高热传导率的材料包括但不限于，铍铜合金、铝合金或者类似物。在靠近进入端口 502的进入气缸304的燃烧体积的开口处，可包含罩盖或者其他紊流引起元件540。该罩盖或者其他紊流引起元件540可迫使从进入端口 502进入燃烧体积的流体流动，以可引起翻滚运动的方式转入燃烧体积，该翻滚运动可引起燃烧体积中致使燃烧混合物的紊流。图6示出了引擎600的一部分的另一个例子，该引擎600具有以上所描述以外的阀配置，但仍与本主题所提供的一个或多个优势相一致。附加或者可替代图5所示的一个或多个特征，一个或多个阀组件可包括允许油或者另一个冷却流体(例如，水，防冻的水的溶液，等等)流动穿过阀杆512或520以接近阀头510或516，并且退出，从而带走阀部件所接收来自燃烧混合物的燃烧的多余的热能的特征。如图6所示，每个阀杆512或520可包括轴向的冷却剂进入通道602，将冷却剂传输至接近阀头510或516.冷却剂然后可通过冷却剂输出通道604流动退出阀杆，冷却剂输出通道604可以是与冷却剂进入通道602呈环形的、平行的，等等。通过使用可选的配置，其中，上凸轮的指状随动件具有类似如图7所示的摇杆臂534的叉状的末端，可以达到类似的结果。图7示出了摇杆臂534以及可被与如图6所示的积极地被冷却的阀组件一起使用的相关的部件的俯视图700。摇杆臂534以枢轴702为轴旋转，并包括推杆座704。在与推杆座相反的一端，摇杆臂534可具有分叉末端706被安装在中空的阀杆512周围，以容纳冷却剂进入通道602。进一步如图7示出的环形圈-形状的阀杆盖710和保持如图5和图6所示的弹簧536的弹簧保持器540。图8A和图8B各自示出了与提升类型的进入阀804兼容的空气进入端口 502的透视图800和顶截面图立体图802。如图所示，进入端口 502可以具有螺丝锥型，螺旋形，或者其他扭曲或者弯曲的形状，可以将一种程度的旋转和/或紊流运动通过进入端口 502传递到输送至燃烧腔的流体。图9A和图9B各自示出了具有安排在气缸头506上的两个进入端口 502和两个排出端口 504的气缸304侧截面图900和俯视图902。穿过进入端口 502的流动由两个提升-类型的进入阀904所控制，每一个具有进入阀头510和进入阀杆512，被设置为在气缸304的一侧彼此邻近。穿过排出端口 504的流动由两个提升-类型的排出阀906所控制，每一个具有排出阀头615和排出阀杆520，被设置为在气缸304的另一侧彼此邻近。通过在两个进入端口 502上运行提升-类型的进入阀904中的一个或者另一个，进入端口流体的离-轴传输可以被提供至气缸304的燃烧腔内。如图9B所示，该方法可以在燃烧体积内产生旋转流体流动区域，其旋转轴平行于气缸轴。可选地，在一个或多个进入端口 502上使用进入端口罩盖540可引起流体流动的转移，可在燃烧体积内产生第二旋转的流体流动区域，其旋转轴垂直于气缸轴。图9A和图9B中示出的技术可被单独使用或者彼此组合使用，或者与本文描述的用于产生抗爆震燃烧条件的技术组合使用。如上的描述说明了引擎的能够增强引擎的运行的方面的一些特征，从而提供本文描述的本主题的一个或多个优势。然而，本主题可被用于运行多种不同的引擎，其中，以上描述的一个或多个特征在任何可行的组合中可被包括或省略。与本主题的实施例一致地，引擎可以至少两种模式运行在低和中负载下的效率模式，以及高负载的功率模式。对于以奥托循环运行的传统引擎，压缩率通过确定在大开节流阀和MBT点火定时而不产生爆震，且产生最大的功率时的最大比率是多少而设定。如上文所指出，传统的引擎的压缩率的上限当前是对于运行在标准的87辛烷汽油的引擎高达10 I。本主题，在一些实施例中，当与之前的对于给定的爆震水平以相同的燃料运行的弓丨擎可获取的方法相比，能够获得更高的压缩率。例如，使用87辛烷汽油的汽油引擎在MBT点火时序可获取约15 I的压缩率而不发生爆震。此处描述的在效率模式下可获取的压缩率可比该例子更高或者更低。对高爆震边缘和压缩率起作用的一个因素是在进入冲程中空气被引入气缸中引起的紊流。如上所示，在空气-燃料混合物中的紊流促进混合物的快速燃烧。快速燃烧可增加引擎的效率，至少部分地因为短暂的燃烧持续时间允许从燃料释放的能量在冲程的更长的一部分上作用在活塞上，从而比更慢的燃烧事件做更多的功。由本主题的一个或多个特征提供的增强的紊流可允许稀薄混合物在更少的紊流的环境下，和化学计量的混合物燃烧一样快。具有增加的紊流的化学计量的混合物可燃烧得更快。根据特定的引擎的其他特征，燃烧的完成可比效率模式下更早或者更晚。效率模式下的MBT时序的确定可至少基于气流、引擎负载、速度、混合率、紊流和燃料的给定类型的已知的方式被确定。尽管上文中已广泛地讨论了端口形状和阀配置，或者如参考引擎300的活塞至活塞的相互作用，或者在引擎500或600中的活塞至气缸头的相互作用可被用于产生需要的紊流。如果活塞的一部分被带至非常接近或者相对的活塞或者气缸头，而另一部分没有，空气-燃料混合物被迫使从接近区域出来，进入更大的体积。该运动可以典型地被称为挤压(squish)的方式，为混合物提供足够的动量以在更大的体积内引起有效的紊流。
此外，短暂燃烧持续时间可最小化尾气在高温度下花费的时间量。这降低了爆震的可能性，并且允许在传统系统中发现的以上的压缩率的增加。能够降低爆震从而在不产生爆震时使得增加压缩率的另一个因素是在引擎中减少热点。如上所述，燃烧腔中的热点可产生局部爆震，并且传统的引擎的压缩率考虑到这一点必须通常向下调整。比传统的引擎具有更少的热点的可以更高的压缩率运行。如上所述，套筒阀可对于最小化提升阀的温度提供优势，其可能是热点的主要的贡献者。提升阀也可被与一个或多个主动的或者被动的冷却特征一起使用，例如如上所述。本文描述的对获取高压缩率的能力起作用的另一个因素是围绕燃烧腔的壁的相对冷却表面温度。特别地，包括被围绕着燃烧腔的冷却流体流动冷却的壁的引擎可具有在燃烧过程的减小的尾气的自发燃烧的可能性，从而允许对燃烧率的进一步改进。除以上所描述之外，或者可替换以上所描述的，在效率模式下也可以采用其他因素。为提高低至中范围负载要求的效率，稀薄空气-燃料混合物，也即，具有空气/燃料比率(X)大于1(高于化学计量)者，可被使用。为了减少功率，传统的引擎典型地节流空气-燃料混合物，导致经过节流阀的泵送损失，降低了引擎的效率。然而，减少的功率的相同的效果可根据本主题的实施例，通过使用稀薄空气-燃料混合物以大开节流阀运行而达至IJ，从而减少或者消除泵送损失以及结果的对效率的负面影响。稀薄混合物还可以允许燃烧率的提高，因为稀薄混合物 在更低的温度和压强下燃烧。使用稀薄混合物在一些实施例中可提供额外的优势。较低的温度下燃烧可导致在给定的负载和给定的速度的穿过腔壁的较低的温度差和较低的损失。使用稀薄混合物还能导致较少的燃料被燃烧。来自于稀薄燃烧的被燃烧的气体可具有更类似于双原子的氮(N2)的物理的和化学的性质，而非三原子的二氧化碳(CO2)和水(H2O)。双原子气体典型地具有比三原子气体更高的比热容比，从而给予稀薄混合物的固有的更高的热动气学的效率。稀薄混合物的进一步的优势是降低水平的氮氧化物(NOx)产物，因为更低的燃烧温度。在一些例子中，具有本主题的一个或多个特征的引擎的NOx的排放可具有低于在相似的运行条件下传统的引擎的10%的NO5^A排放。对于轻型车辆，该NOx的排放率可低至足够不需要后处理以满足欧盟4/5期排放标准。运行非常稀薄混合物已知引起潜在的空气-燃料混合物的可燃性(以及可靠的自燃性)的困难。然而，引擎参数，例如高压缩率、燃烧体积紊流和燃烧腔壁温度可根据本文的教导被优化，以允许良好的燃烧混合物，其足够稀薄以满足必需的排放的标准。以稀薄混合物或延迟定时运行的传统的引擎，由于混合物持续燃烧至循环的后期带来极高的排出温度，具有过加热的风险。稀薄混合物的快速燃烧或者晚的点火的更富足的混合物对于可接受的引擎耐用度是令人满意的。空气/燃料比率可被控制在预定的水平，例如，通过汽化器，计算机-控制的燃料注入器，或者类似物。当运行在过渡功率输出水平以下(例如，在一些实施例中，约6或7巴BMEP)，效率模式在一个例子中使用约1. 5的空气/燃料比率(X )(在化学计量可出现的空气量的1.5倍)。在一些实施例中，空气/燃料比率(X)在最大的稀薄条件和最小的稀薄条件或者甚至是化学计量或者富有(例如，比化学计量的混合物所需要的更少的空气)之间变化。空气/燃料比率(例如，X )期望地被保持在能够可靠地点火并且产生需要的功率的范围内。在中度的压缩率，在火花开始时的混合物的密度在一些情况中太低而以致无法支持非常稀薄的混合物的可靠的燃烧。然而，由于当前的主题允许高压缩率，混合物的密度足够高以允许具有如此稀薄的混合物的引擎运行，在一些例子中，具有拉姆达(X)达到1.5至1. 6。即使是稀薄混合物在本主题的范围之内。大的天然气引擎可以采用重涡轮增压，以提高燃烧混合物的密度，足够以比所需的空气超过2倍运行。本主题的实施例可获得这些高密度，而不会带来与涡轮增压相关的费用和复杂度。使用稀薄混合物的一个额缺点是结果的低功率密度。然而如下所解释的，对于高负载，例如高于6巴BMEP，本主题的实施例能阶梯式或者逐渐增加至更富有的混合物接近和/或超过化学计量。在一些实施例中，提高效率的另一个因素是降减小的燃烧体积表面积，例如，参考图3和图4的上文的描述。这此类引擎中的冷却壁的较小的表面积减少了热量可以逸出的面积。该特征能增加系统中能够做功的热量，伴随着效率的增加。本文描述的特征的每一个可有利于提高效率。这些特征中的任一个，自身能够实现在效率模式下的引擎的压缩率和/或效率的增加。此处描述的不同的特征因此可以在任何可实现的组合中被省略或被使用，且根据本主题的实施例，提供增加的压缩率和/或效率。图10显示了示出在归一化的负载时三种引擎的引擎效率对制动平均效率压强图表1000。上方的曲线1002显示了与本主题的实施例一致的在效率模式运行的引擎的直到约7巴的BMEP，以及在功率模式从约7巴(例如，过渡功率输出水平)到约10巴(例如，最大功率输出水平)的数据。其他两个曲线1004，1006反映了其他两种商业上可获取的由传统方法运行的引擎的效率数据。其他两种商业上可获取的引擎都是与测试引擎相似大小的单气缸引擎。如图所示，与本主题相一致的方式运行的引擎的数据1002与其他引擎相比，获取更高的效率，尤其是在低功率输出水平。随着功率输出增加至最大功率输出，功率曲线收敛。然而，由于与本主题相一致的引擎可被设计为在其使用的大多数是在效率模式下运行，当过渡至功率模式所需要时被提供额外的功率，在典型的动力或者其他引擎使用循环中，总的燃料效率与传统的引擎技术可能的相比，可被大大提高。如上所述，本主题的一个实施例可在效率模式下运行至约6-7巴BMEP，在该点附近，引擎展示出约35%的效率，而可比较的传统的引擎在类似的功率输出仅能达到27%或28%的绝对效率。在图表1000中可以看出，与本主题相一致的引擎的效率可在引擎过渡至功率模式开始缩小。效率模式。客运车辆运行对于功率模式是特别感兴趣的，因为很少获得全功率，并且通常持续时间不长。与此处描述的一个或多个特征相一致的引擎从效率模式转换为功率模式的点可由引擎的期望的动力循环或者使用循环所设定并一起。在获取峰值效率的引擎功率输出与在机动车动力循环或者使用循环中最常见的需要的功率输出之间的适当的匹配可导致与传统的引擎相比的25%或更多(35%除以28%)的相对的提高，如图10所示。引擎一旦到达过渡功率输出，此时，到达爆震极限，以在效率模式条件下产生更多的功率，随着，点火定时和空气/燃料比率(X)连续移动以减轻爆震同时提供更大的功率输出，引擎能或者以阶梯方式或者逐渐地过渡到功率模式。在一个例子中，根据检测的超过过渡功率输出的引擎压强，控制引擎的运行的处理器(未示出)可开始运行条件的变化。可选地，随着经过或者接近转换阈值，该转换可完全地或者主要地由机械手段触发。空气/燃料混合物比率(X)和点火定时的转换可依赖于需要的负载。
对引擎运行属性进行如上所述的某些改变，从而允许引擎转换到功率模式以应对更高的负载。如上所述，一种该类的改变是对空气-燃料混合物的从稀薄混合物至更富有者的丰富。更富有的混合物的燃料释放更多的能量，从而产生在更高的功率密度所需的功率。空气-燃料混合物能够，例如，在功率模式下以化学计量的空气/燃料比率(X)被提供。空气/燃料比率(X)可在功率模式下比I更高或者更低(例如，比化学计量的更稀薄或者更富有)，尽管通常地在功率模式下使用比在效率模式下更富有的空气/燃料比率(入)。混合物可在快速阶跃地或者在一段时间内逐渐地在空气/燃料比率(X)的范围内转换。在与本主题一致的引擎中给定高压缩率，在功率模式下丰富混合物，能在不对系统带来其他改变的情况下引起爆震。因此，除了丰富混合物，在功率模式的一些实施例中，点火定时可被延迟(点火可发生在之后的燃烧循环，稍后的曲柄角，等)，从而燃烧腔内的峰值压强和温度被保持在爆震水平以下，即使对于大的压缩率。仅为示例地，歧管真空管或文氏真空放大器可被用于提供对点火火花定时和空气/燃料比率(X)的控制。作为功率模式的一个例子，使用化学计量的混合物产生大约9巴BMEP，火花时序可被设定为在TDC的几度的范围内。该火花定时可通过部分地空气-燃料混合物的紊流实现，其如上所述，可导致混合物的快速燃烧。混合物中的燃料的增加还增加了混合物的燃烧率。从而，即使在以TDC的几度的范围内开始，即使不是全部的也是大多数的混合物可在超过TDC的25°被燃烧或者可选地在TDC之后的35°之内被燃烧。燃烧的完成可以比在功率模式下更早或者更晚。延迟的定时通常可以减少引擎的效率，以换取增加的功率输出。点火定时可被设定为足够迟从而燃烧的大部分发生在TDC之后。随着燃烧的进行，随着燃烧腔变得更大以减轻尾气的自发燃烧，压缩率引起的压强和温度继续减小。以这种方式，可防止在功率模式下的爆震。由于延迟的点火，可能带来功率模式下的轻微的扩张率和效率损失。例如，使用87辛烷值汽油，在9巴BMEP峰值功率以化学计量的混合物和点火定时运行的引擎引起燃烧在超过TDC约25°时完成，功率模式可具有约12 I或更低的有效扩张率，以及约30%的效率。12 I的扩张率仍好于在先可获取的方法所能达到的扩张率。随着在功率模式中使用富有的混合物，节流阀可被部分地关闭，从而限制由引擎产生的功率。在节流阀关闭的小的量，经过节流阀的泵送损失和阀定时控制的流动的损失之间的差通常是最小的。在功率水平从100%降至50%，功率模式下的泵送损失可以是最小的。如上所述，传统的引擎的一个问题是它们或者效率地或者功率地运行，但在没有昂贵的和复杂的可变压缩比和可变阀定时技术时，不是以两者运行。本主题可，在一些实施例中，优化在低和中负载的效率，而保持高负载的传统的效率。这些优势可被提供而不需与可变压缩比和可变阀定时技术相关的复杂度和费用。如上所述，本主题的特征可应用至大多数的引擎配置。两冲程引擎典型地不露出热排放阀。以合适的冷却设计和紊流，这种引擎也可运行在上述的效率和功率模式。此外，传统的四冲程引擎可被修改，以或者显著地增强阀冷却，或者保证燃烧腔的尾气区域是冷却的。两冲程和四冲程引擎都还可具有被优化的混合物的紊流，从而可在稀薄混合物时获得快速燃烧，而没有对气缸壁的过分的热量损失。
较高的辛烷燃料的传统的运行可通过使用此处描述的特征来实现。天然气可以15 I的几何压缩率在接近MBT定时处运行，并具有35%的峰值效率。在一个例子中，天然气可被用作具有约18 I或者更高压缩率的燃料。对于专用的天然气引擎，这样的压缩率是容易获取的。然而，在天然气所被使用的汽车的应用中，能够在天然气和汽油或者其他燃料之间来回切换，可以是有利地。对于使用稀薄过压缩的汽油的运行以及天然气的传统的运行的引擎装配，这两种燃料均可在15 I的几何压缩率下使用，仅有点火定时需要更改。随着增加了可变压缩比(VCR)运行，两种燃料均可被优化。图11和图12分别示出了图表1100和1200，示出了与173cm3位移的单气缸、单顶置凸轮轴引擎且每个气缸具有两个阀的用于测试的单元数据的比较，其中，该气缸可从印度马哈拉施特拉邦的普纳的Bajaj汽车获取。测试引擎是设计用于自动的人力车且具有压缩比为9 I。相对地，具有250cm3的位移的相对的气缸套筒阀配置，类似于如图3所示，且具有15 I的压缩比的第二引擎也被测试。这两种引擎都使用87辛烷汽油。在图11中，显示的测试数据示出了用于以3000转每分钟(RPM)以MBT而不产生爆震地以化学计量的燃料比控制的混合物运行两种引擎。三角形的数据点1102反映了如上所述的在效率模式下的第二种引擎的运行。矩形数据点1104反映了在功率模式下的第二种引擎的运行，以及圆形数据点1106反映了传统引擎在BMEP的相同的范围的运行。如图所述，第二引擎展示了在整个BMEP范围的提高的效率，而传统的引擎方法对于两种引擎仅在最大功率时具有可比较的效率。特别地，在约2至6巴之间的BMEP范围内，第二引擎与传统的引擎相比显示了的25%至40%的效率增加。目前的服从US联邦测试程序75 (FTP-75)的机动车的动力循环在0. 5至3BMEP范围内消耗大多数的燃料，而例如，印度的自动人力车在印度动力循环(IDC)中在2. 5至5. 5BMEP范围内消耗大多数的燃料。就这点而言，图11示出了本主题的至少部分实施例能提高在正常的动力条件下经历的在低负载条件的动态改善的燃料效率。图12示出了类似的数据，其中，第二引擎的效率模式包括稀薄的空气/燃料比率(也即，A大于I)，且随着功率输出增加并且在功率模式下转换为富有混合物，具有延迟的定时。如图表1200的数据所示，与传统的引擎相比的效率的改善等于或者大于图表1100所示的化学计量的运行。表I提供了来自第二引擎燃烧汽油，传统的Bajaj引擎燃烧汽油，传统的B ajaj使用柴油引擎燃烧柴油，第二引擎燃烧天然气，以及传统的B ajaj引擎燃烧天然气的测试单元的数据。使用与在B ajaj8. 2hp引擎和功率计(dyno)结果上的用户结果匹配的伽马技术(GT)驱动模拟印度动力循环。如表I所示，包含本主题的实施例的一个或多个特征的引擎可表现比Bajaj汽油和Bajaj柴油引擎的增加的燃料效率。对于天然气的比较也获取相同的结果，这对于一些国家是非常重要的，例如，印度，其中压缩天然气(CNG)是更普遍的燃料。表I
权利要求
1.一种方法，包括向内燃机的燃烧体积传输流体，所述流体包括处于或低于第一目标温度的进入空气， 所述传输为所述流体提供足够的运动以在所述燃烧体积内生成至少阈值量的紊流，所述燃烧体积由至少一个气缸壁和活塞所限定；在完成混合物的燃烧之前，将与所述进入空气和燃料的所述混合物接触的所述燃烧体积内的内表面保持在处于或低于第二目标温度；以效率模式运行所述内燃机，以提供在零到过渡功率输出水平之间的第一功率输出范围，所述效率模式包括使用第一点火定时以及所述混合物的第一空气/燃料比率，所述第一点火定时和所述混合物的所述第一空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约 13 I的压缩率而选择，以防止所述混合物在所述效率模式下的过早自燃；以及以功率模式运行所述内燃机，以提供在所述过渡功率输出水平和最大功率输出水平之间的第二功率输出范围，所述功率模式包括使用第二点火定时以及所述混合物的第二空气 /燃料比率，所述第二点火定时和所述第二空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率而选择，以防止所述混合物在所述功率模式下的过早自燃。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一空气/燃料比率是相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第一实际的空气/燃料比率的约为I的第一比率U1),以及所述第二空气/燃料比率是相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第二实际的空气/ 燃料比率的约为I的第二比率(入2)。
3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述第一点火定时在约最大制动转矩，以及所述第二点火定时逐渐延迟以在所述最大功率输出接近时，逐渐地迟于最大制动转矩。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在所述燃烧体积内的峰值压强被获取，以及所述混合物的10%至90%的燃烧持续时间发生在先于经过所述活塞的上止点位置约35°之前。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一空气/燃料比率是随着接近所述过渡功率输出水平，从大于约1. 3逐渐减小的相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第一实际的空气/燃料比率的第一比率(λ D，以及所述第二空气/燃料比率是相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第二实际的空气/燃料比率的约为I的第二比率(λ2)。
6.如权利要求1、2、4和5中任一项所述的方法，其中，所述第一点火定时随着接近于所述过渡功率输出水平，从约最大制动转矩逐渐延迟。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述燃烧体积内的峰值压强在经过所述活塞的上止点位置的约10°至35°的范围内被获取，以及所述混合物的10%至90%的燃烧持续时间发生先于在经过所述活塞的上止点位置约35°之前。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述辛烷值约为87，以及所述压缩率大于约14 :1。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，在所述功率模式下的所述压缩率低于在所述效率模式下的所述压缩率。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，在所述功率模式下的所述压缩率约等于在所述效率模式下的所述压缩率。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述过渡功率输出水平发生在所述最大功率输出水平的制动平均有效压强的约70 %处。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述过渡功率输出水平发生在所述最大功率输出水平的制动平均有效压强的约60 %处。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，向所述燃烧腔传输所述流体还包括，通过空气进入路线将所述进入空气从空气入口导入至进入端口，所述空气进入路线包括对引擎热量的有限的暴露，使得所述进入空气保持处于或者低于第一目标温度。
14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述进入端口包括传输所述流体至套筒阀和提升阀中的至少一个的导管，使得当所述套筒阀和所述提升阀中的至少一个被打开以传输所述流体至所述燃烧体积时，所述流体在进入所述燃烧腔时获取涡旋运动。
15.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述进入端口包括导管，以将所述流体传输至套筒阀和提升阀中的至少一个，从而当所述套筒阀和所述提升阀中的至少一个被打开以传输所述流体至所述燃烧体积时，所述流体在进入所述燃烧腔时获取翻滚运动。
16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述进入端口包括罩盖，被配置为在所述燃烧腔中提供所述被传输的流体的翻滚运动。
17.如权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，所述活塞的第一部分和气缸头或第二活塞在所述内燃机的压缩冲程内被带入邻近区域，而所述活塞的第二部分不接近，使得所述混合物被迫使从所述邻近区域出来，进入在所述燃烧体积中的较大的体积，从而引起所述较大体积中的紊流。
18.如权利要求1至17中任一项所述的方法，还包括积极地冷却与所述进入端口或排出端口相关的至少一个阀，以将所述至少一个阀保持在所述第二目标温度以下。
19.如权利要求1至18中任一项所述的方法，其中多个点火点在所述燃烧体积中被提供，以缩短所述混合物燃烧的持续时间。
20.如权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述第二目标温度低于在所述内燃机的运行条件下的活塞顶部温度。
21.一种内燃机，包括传输流体的进入端口，所述流体包括至燃烧体积的进入空气，所述流体被以足够在所述燃烧体积内产生至少阈值数量的紊流的传送数量的运动而传输；所述燃烧腔的一个或多个内表面，被保持在处于或低于第二目标温度，所述一个或多个内表面包括气缸的气缸壁，所述气缸内的活塞，以及与所述进入端口或排出端口相关的至少一个阀；以及一个或多个控制设备，使得所述内燃机运行在效率模式，以提供在零到过渡功率输出水平之间的第一功率输出范围，所述效率模式包括使用第一点火定时以及所述混合物的第一空气/燃料比率，所述第一点火定时和所述混合物的所述第一空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率而选择，以防止所述混合物在所述效率模式下的过早自燃；以及功率模式，以提供在所述过渡功率输出水平和最大功率输出水平之间的第二功率输出范围，所述功率模式包括使用第二点火定时以及所述混合物的第二空气/燃料比率，所述第二点火定时和所述第二空气/燃料比率被根据所述燃料的辛烷值和超过约13 I的压缩率而选择，以防止所述混合物在所述功率模式下的过早自燃。
22.如权利要求21所述的内燃机，其中，所述第一空气/燃料比率是相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第一实际的空气/燃料比率的约为I的第一比率(λ J，以及所述第二空气/燃料比率是相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第二实际的空气/燃料比率的约为I的第二比率(入2)。
23.如权利要求21和22中任一项所述的内燃机，其中所述第一点火定时在约最大制动转矩，以及所述第二点火定时逐渐延迟以在所述最大功率输出接近时，逐渐地迟于最大制动转矩。
24.如权利要求21至23中任一项所述的内燃机，其中，在所述燃烧体积内的峰值压强被获取，以及所述混合物的10%至90%的燃烧持续时间发生在先于经过所述活塞的上止点位置约35°之前。
25.如权利要求21所述的内燃机，其中，所述第一空气/随着接近所述过渡功率输出水平，相对于从大于约1. 3逐渐减小的所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第一实际的空气/燃料比率的第一比率U1),以及所述第二空气/燃料比率是相对于所述燃料的化学计量的空气/燃料比率的第二实际的空气/燃料比率的约为I的第二比率(λ2)。
26.如权利要求21、22、24和25中任一项所述的内燃机，其中，所述第一点火定时随着接近于所述过渡功率输出水平，从约最大制动转矩逐渐延迟。
27.如权利要求21至26中任一项所述的内燃机，其中，所述燃烧体积内的峰值压强在经过所述活塞的上止点位置的约10°至35°的范围内被获取，以及所述混合物的10%至 90%的燃烧持续时间发生在先于经过所述活塞的上止点位置约35°之前。
28.如权利要求21至27中任一项所述的内燃机，其中，所述辛烷值约为87，以及所述压缩率大于约14 I。
29.如权利要求21至28中任一项所述的内燃机，其中，在所述功率模式下的所述压缩率低于在所述效率模式下的所述压缩率。
30.如权利要求21至29中任一项所述的内燃机，其中，在所述功率模式下的所述压缩率约等于在所述效率模式下的所述压缩率。
31.如权利要求21至30中任一项所述的内燃机，其中，所述过渡功率输出水平发生在所述最大功率输出水平的制动平均有效压强的约70%处。
32.如权利要求21至31中任一项所述的内燃机，其中，所述过渡功率输出水平发生在所述最大功率输出水平的制动平均有效压强的约60%处。
33.如权利要求21至32中任一项所述的内燃机，还包括空气入口，所述空气入口通过空气进入路线将所述进入空气导入至进入端口，所述空气进入路线包括对引擎热量的有限的暴露，使得所述进入空气保持处于或者低于第一目标温度。
34.如权利要求21至33中任一项所述的内燃机，其中，所述进入端口包括传输所述流体至套筒阀和提升阀中的至少一个的导管，使得当所述套筒阀和所述提升阀中的至少一个被打开以传输所述流体至所述燃烧体积时，所述流体在进入所述燃烧腔时获取涡旋运动。
35.如权利要求21至34中任一项所述的内燃机，其中，所述进入端口包括导管，以将所述流体传输至套筒阀和提升阀中的至少一个，从而当所述套筒阀和所述提升阀中的至少一个被打开以传输所述流体至所述燃烧体积时，所述流体在进入所述燃烧腔时获取翻滚运动。
36.如权利要求21至35中任一项所述的内燃机，其中，所述进入端口包括罩盖，被配置为在所述燃烧腔中提供所述被传输的流体的翻滚运动。
37.如权利要求21至36中任一项所述的内燃机，其中，所述活塞的第一部分和气缸头或第二活塞在所述内燃机的压缩冲程内被带入邻近区域，而所述活塞的第二部分不接近， 使得所述混合物被迫使从所述近邻区域出来，进入在所述燃烧体积中的较大的体积，从而引起所述较大体积中的紊流。
38.如权利要求21至37中任一项所述的内燃机，还包括冷却系统，冷却与所述进入端口或排出端口相关的至少一个阀，以将所述至少一个阀保持在所述第二目标温度以下。
39.如权利要求21至38中任一项所述的内燃机，其中多个点火点在所述燃烧体积中被提供，以缩短所述混合物燃烧的持续时间。
40.如权利要求21至39中任一项所述的方法，其中所述第二目标温度低于在所述内燃机的运行条件下活塞顶部温度。
全文摘要
一种可在效率模式下运行的内燃机，以提供在零到过渡功率输出水平之间的第一功率输出范围，以及以功率模式运行所述内燃机，以提供在所述过渡功率输出水平和最大功率输出水平之间的第二功率输出范围。在效率模式下，可使用第一点火定时以及所述混合物的第一空气/燃料比率，以防止所述进入气体和燃料的混合物的过早自燃，该混合物系根据所述燃料的辛烷值和超过约13∶1的压缩率而被选择。在功率模式下，可使用第二点火定时以及所述混合物的第二空气/燃料比率，以防止所述混合物的过早自燃，该混合物系根据所述燃料的辛烷值和超过约13∶1的压缩率而被选择。为了进一步使能此类引擎的防爆震运行，可向混合物传输紊流，以促进较快速的燃烧持续时间和较高温，可防止引起混合物的过早自燃。
文档编号F02D35/02GK103038490SQ201180023262
公开日2013年4月10日 申请日期2011年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者詹姆斯·M·克里夫斯, 尼古拉斯·马诺夫, 迈克尔·A·威尔科克斯, 西蒙·大卫·杰克逊 申请人:品纳科动力有限公司