高渦流引擎的製作方法

2023-10-04 16:09:19 1

專利名稱：高渦流引擎的製作方法
技術領域：
此處所述內容涉及內燃機引擎的特徵。
背景技術：
在內燃引擎中之油/氣混合物的不一致點火會造成汽缸內燃料混合物的點火延遲及燃燒持續時間上的變動。此不一致性會導致該汽缸內高峰壓力及溫度的顯著變動且在爆震限制式引擎中限制火花定時(spark timing)及/或壓縮比，藉以讓靠近該爆震限度的火花定時的精確設定複雜化。在燃燒速率及燃燒持續時間上的變動亦會直接轉變為在效率上的變動。指示平均有效壓力(IMEP)的典型的係數(其代表汽缸的燃燒室內一整個循環的平均壓力)可以是約1. 5%。換言之，假設一常態分布，在相同的燃料輸入下，一千個循環中最沒有效率的三個循環所產出的功比該一千個循環中最有效率的三個循環產出的功少了 9% (6x1.5%)。又，如果點火必需推遲以避開在最快的燃燒循環中的爆震的話，則會拖累到在其餘較慢的燃燒循環中的點火定時，而這會累及扭力及效率。慢的火焰速率亦可限制火花點火在該燃燒循環中可以多晚被開始，同時仍能達到完全燃燒。目前的高渦流引擎的有效性通常是受到汽缸內的氣體與汽缸壁之間因為產生於汽缸內的高速氣體運動所造成的高熱傳率所限制。具有高速氣體運動的傳統引擎的有效性還會受到誘發高氣體速度所需之進氣通道內的壓降的衝擊。此壓降會限制通過該引擎的汽缸的最大流量及可輸出的最大動力。而且，在額外的燃燒穩定性之下，在一給定的IMEP的變動的係數，可點燃一更稀的油氣混合物。

發明內容
在一態樣中，一種內燃引擎可包括一在該內燃引擎的汽缸內的燃燒容積。該燃燒容積可至少由一汽缸壁及在該汽缸內的第一活塞來界定。一渦流埠可透過一渦流埠出口將一流體輸送至該燃燒容積內，使得該被輸送的流體以一流體速度被引導環繞該汽缸的周邊，該流體速度系以遠離該汽缸壁的曲線的切線一預定角度加以配置的，用以產生一渦流運動於該燃燒容積內。此該渦流運動系發生在一用渦流數來量化的渦流率，該渦流數系表示該流體在活塞的一循環期間環繞該汽缸迴轉的次數。在另一相關的態樣中，一種方法包括經由一渦流埠將一流體輸送至內燃引擎的汽缸的燃燒容積內。該燃燒容積至少是由一汽缸壁及在該汽缸內的第一活塞來界定。該被輸送的流體以一流體速度被引導繞著該汽缸的周邊，該流體速度系以遠離該汽缸壁的曲線的切線一預定角度加以配置的。該被輸送的流體的引導在該流體的點火之前產生一渦流運動於該燃燒容體內。該渦流運動系發生在一用渦流數來量化的渦流率，該渦流數系表示該流體在活塞的一循環期間環繞該汽缸迴轉的次數。在一些變化例中，可非必要地包含下列的一或多者。該引擎可包括一火花源，其點燃該燃燒容積內的流體。該渦流埠的一個入口可具有第一截面流面積。一包含該渦流埠出口的渦流埠出口區可具有第二截面流面積，其隨著遠離該入口的距離而減小。該渦流埠出口的尺寸(例如，寬度)不隨著離該入口的距離而改變。該引擎可包括套筒閥其包括該渦流埠。該套筒閥可被設置成至少部分圍繞該汽缸。該渦流埠可包括一截面積遞減的管子。 渦流數可等於該流體在它離開該渦流埠出口進入該汽缸時的切線速度除以該汽缸的圓周與該引擎的曲柄軸的曲柄軸轉速。該切線速度可以等於該流體通過該渦流埠出口進入該汽缸的離開角度的餘弦值乘上該流體在該渦流埠內的流動速度。該引擎可包括一燃料噴注器其將燃料輸送至該燃燒容積持續一段與該渦流率相符的燃料輸送期間，用以將該被輸送的燃料均勻地散布於整個燃燒容積。在此例子中，該內燃引擎可如柴油引擎般地操作。該引擎可包括一火花源及一燃料噴注器其用一與該渦流率相符的噴註定時(injection timing)將燃料輸送至該燃燒容積，用以將該被輸送的燃料均勻地散布於整個燃燒容積。在此例子中，該內燃引擎可如直接噴注火花點燃引擎般地操作。 該燃料噴注器可被引導用以在靠近汽缸壁處產生比汽缸中心處更富含燃料的混合物。該流體可包括空氣，該火花源可被設置在該汽缸的周邊，及該燃料噴注器可噴注燃料使得燃料的小滴與該被輸送的流體混合，使得該渦流運動所引發的向心力將小滴推至該汽缸的周邊以產生混合物梯度，其在周邊處包含更富含燃料的區域讓該火花源來點火。揭示於本文中的發明主體的一或多個變化的細節在附圖及下面的描述中被提出。 揭示於本文中的發明主體之其它特徵及優點，從描述及圖式及從申請專利範圍中將會很明
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包含在說明書中且構成說明書的一部分的附圖顯示揭示於本文中的發明主體的一些態樣，且與具體實施方式
一起用來協助解釋與所揭示的實施相關連的一些原理，在附圖中圖1為一示意圖，其顯示具有對衝活塞的內燃引擎的側視圖；圖2為一示意圖，其顯示圖1的該內燃引擎沿著線AA所切的的剖面圖；圖3為一示意圖，其顯示圖1及圖2的該內燃引擎沿著線BB所切的的剖面圖；圖4為一圖表，其顯示渦流埠入口區的減小面積為其環繞一汽缸的圓周位置的函數；圖5為一示意圖，其顯示一沒有隊力活塞的內燃引擎的汽缸、閥調(valving)及其它特徵的剖面圖；圖6為一圖表，其顯示從一內燃引擎汽缸的中心線向下看的一渦流埠的平面圖；圖7A及7B為圖6的渦流埠的流動空泡(flow cavity)的前視圖及立體圖；圖8A及8B為剖面圖，其顯示結合一高渦流埠之直接燃料噴注；
圖9為一示意圖，其顯示一分裂的入口埠的剖面圖；圖10為一示意圖，其顯示一具有突出的窩流特徵的分裂入口埠的剖面圖；圖11為一示意圖，其顯示能夠減小渦流率的入口埠的剖面圖；圖12為一示意圖，其顯示一能夠高或低渦流流體輸送的入口埠的剖面圖；及圖13為一方法的處理流程圖。
具體實施例方式發明主體可提供許多與以前可獲得之工藝與技術相關的好處及優點。控制一流體 (如，空氣、空氣與燃料的混合物、或類此者)進入汽缸的角度在達成所想要的汽缸的燃燒容積內的燃料燃燒率上是很有用的。在一接近垂直汽缸軸線的方向上輸送該流體可產生較慢的燃燒率但較高的效率，因為擾動程度較低，減少熱損失至汽缸壁。描述於本文中的一或多種結構、技術、製造物、及類此者可單獨地或相結合地被使用，用以根據所想要的但卻不能同時存在的效能度量來將燃燒條件最佳化。大體上，在該燃燒容積中有更多流體的渦流能在低引擎負載時以相對低的熱傳遞至汽缸壁來提供增強的燃燒特徵。快速的燃燒率可被達成用以讓一高壓縮引擎有一推遲的點火條件，用以在大多數機動車輛內的引擎經常操作的輕負載時提供高效率。從推遲的點火條件的高渦流高燃燒率轉變成較富含燃料的混合物的低渦流條件可在高負載下提供更佳的動力特徵。一使用一或多個本發明的主體的特徵的引擎，亦可如一柴油引擎或直接噴注火花點火引擎般地被操作，因為該燃燒容積內的高渦流特徵可使用對該汽缸的直接燃料噴注來將被噴注的燃料掃過整個燃燒容積。當實施時，類似的標號標示類似的結構、特徵或元件。示於申請專利範圍中的特徵的描述可包括譬如像是第一及第二、左及右、上及下等等用詞來參考被描述的元件。應被了解的是，這些參考只打算作為用來區別具有類似的結構的多個元件或指出相對於圖中的一或多個元件之被圖示的方位的運動方向且不應被解讀為揭示內容或所請之發明主體的範圍的限制。為了解決上述及潛在的其它情況，本發明主體的實施例以一種可產生一旋轉的流場於該燃燒容積內的方式提供可輸送空氣或空氣/燃料混合物至一內燃引擎的燃燒容積的方法、系統、製造之物及類此者。所得到之該燃燒容積內的高渦流狀態的流體流可改善燃燒引爆的均勻性、燃燒持續時間、點火定時、及類此者。內燃引擎的一些例子被揭露在共同系屬且共同所有的美國專利第7，559，298號及美國專利申請案第12/720，457號中，其已藉由參考而被並於本文中。對於一給定的汽缸體積而言，該等被揭露的引擎可提供一非常大的閥面積。此一構型可有利地讓一流體埠切線地或在相切於該汽缸壁的一預定的角度內輸送空氣/燃料混合物、只有空氣、或一些其它流體進入該汽缸，使得一渦流進氣運動(charge motion)最初被引進到該汽缸的孔軸線附近。該等入口閥及引擎形狀的其它構型亦可利用揭露於本文中之發明本體的一或多個特徵的好處。圖1顯示一組裝好的對衝活塞引擎100的示意側視圖，該引擎包括兩個活塞其分享一共用的汽缸且形成一由該等活塞及汽缸壁所界定的燃燒容積。其它的引擎構型，例如像是活塞被設置在分離的汽缸內且其燃燒容積是由該活塞、汽缸頭、與汽缸壁所構成之引擎構型，亦是在本發明主體的範圍內。
圖2為圖1所示之引擎100沿著切割線AA的剖面圖。如圖2所示，一渦流埠入口 202將空氣/燃料混合物輸送至一由引擎本體206所界定的汽缸204中。如圖2所示，該引擎體206可包括一左殼體210及一右殼體212，它們被安裝到一中央連接件214，其為一環的形式。該中央連接件214亦可包括一或多個火星塞套筒216，火星塞可被插入穿過該等火星塞套筒。該引擎100被建構成可讓一左活塞220及一右活塞222沿著汽缸204的中心線 C往復運動於該汽缸204內。該左活塞220被連接至一左連接杆2M其接著連接至一左曲柄軸226。該右活塞222被連接至一右連接杆230其接著連接至一右曲柄軸232。該左活塞220往復運動於該汽缸204內，且可沿著該汽缸壁234左右滑動。該右活塞222亦往復運動於該汽缸204內，且可沿著該汽缸壁234左右滑動。圖2顯示一油路界定件236。一套統閥體240可相對於油路界定件236滑動至左邊及右邊(從圖2的觀點來看)。在圖2中，左活塞220及右活塞222被設置在汽缸204 內，就如同當由該汽缸壁234、閥座214、及左活塞220與右活塞222的活塞頭所界定的該燃燒容積為最小時，它們將會在上死點(top dead center) 一般。一引擎可被建構成可讓該點活定時發生在該最小燃燒容積時、之前、或之後。圖3為該引擎100沿著圖2所示的切割線BB的第二剖面圖。如圖3所示，該套筒閥體240界定一引導一流體304的渦流埠302，該流體可以是空氣/燃料混合物、只是空氣、 一些氣體的其它組合、及/或用來噴注至該汽缸204內之傳輸的(entrained)液體。該渦流埠302包括一渦流埠入口 306，該流以可經由該渦流埠入口進入，及一渦流埠出口區308 具有一渦流埠出口 310，該被輸送的流體304經由該渦流埠出口離開該渦流埠302進入該汽缸204(如圖2所示)環繞該汽缸204的壁的周邊，用以在該左活塞220與該右活塞222的進氣行程期間產生旋轉流於該汽缸204的燃燒容積中。該被輸送的流體304之切線方向的輸出與該流體304在汽缸204的周邊(例如，靠近汽缸壁234處)的輸出的結合可在進氣行程期間形成快速的旋轉流場於汽缸204的燃燒容積內部。此有秩序的流動可持續整個循環，使得當該燃燒容積內的氣體被點燃時，火焰被快速地掃過該燃燒容積造成一極快速且可再現的燃燒事件。該渦流埠出口 310在圖3及後續的圖式中，以虛線被示出用以表示在汽缸壁234 上的一開口或一系列的開口，其可讓流體304通過從該渦流埠出口區308進入汽缸204的燃燒容積內。在一些較佳的實施中，該渦流埠出口 310可以是該汽缸壁234上環繞該汽缸 204的圓周的至少一部分之寬度大致固定的槽口的形式。非必要地，該渦流埠出口 310可以是該汽缸壁上多於一個之寬度大致固定的槽口的形式，這些槽口系連串地被配置環繞該汽缸204的圓周的至少一部分。渦流埠出口的其它的構型、形狀、或尺寸亦是在本發明主體的範圍之內。使用可以引發進入內燃引擎的汽缸的燃燒容積內的流體的渦流運動的進氣閥，例如圖3所示之具有渦流入口埠304的套筒閥體M0，在產生上述流體的流體動力於一汽缸的燃燒容積內是有利的，因為它可容許該混合物進入該汽缸環繞該汽缸的整個周邊。其它構型的閥亦可被使用，只要它們能夠產生旋轉的流場於內燃引擎汽缸的燃燒容積內。例如，提動閥或被設置在標準的內燃引擎的汽缸頭處的其它進氣閥可以只能產生旋轉流條件於該進氣閥的附近，該附近區域在許多例子中系具有該汽缸的直徑的一半或比該汽缸的直徑的一半稍微大一些的直徑。在該直徑的一半處，該氣體的轉速必需是全直逕入口的轉速的兩倍，用以獲得相同的汽缸內(in-cylinder)旋轉速度。為了要達到相同的渦流，必需對進入的進氣(incoming charge)施加更多的泵功(pumping work)，這可減少空氣流及限制該引擎的扭力及/或動力。如上文所述，圖3顯示流體304經由該渦流埠出口區308內的渦流埠出口 310進一步輸送至汽缸204的燃燒容積，使得該流體沿著汽缸壁234的周邊進入汽缸204。如上文所述，該渦流埠出口 310可以是該汽缸壁234上的一個開口或多個開口，該被輸送的流體 304經由該等開口離開該渦流埠出口區308進入汽缸204的燃燒容積。為了環繞該套筒閥 240的內壁312的大部分圓周的渦流埠出口區308，譬如在圖3中所示者，該渦流埠出口 310 開始及結束在或靠近該渦流埠302的終止結構314。如圖3所示，該渦流埠出口區308的截面流面積(即，垂直於流動方向所取之截面的面積)可隨著流體304從該渦流埠入口 306 流至該渦流埠出口區308而沿著截面AO (其系靠近該渦流埠入口 306)至A7 (其系靠近該終止結構314)單調地遞減。該渦流埠出口區308之遞減的截面流面積造成流體304在其橫越該渦流埠出口區308經由該渦流埠出口 310沿著汽缸壁234進入汽缸204且朝向汽缸 204的中心軸線316渦漩。動量守恆原理預測出該流體304在汽缸204的中心軸線316處的旋轉比該流體304在其剛進入汽缸204時的旋轉速度還要快。圖3顯示流體304的旋轉是繞著該中心軸線316，該中心軸線系縱向地穿過活塞的幾何中心(參見圖2)。理論上，如果在某一半徑320處，例如從該中心軸線316至該渦流埠出口區308的外壁322，存在一切線速度的話，則動量守恆要求用於一給定流率及氣體壓力之遞減的半徑 320造成氣體繞著該中心軸線316的角速度遞增。此角速度的增加不只因為該渦流埠出口區308的遞減的截面面積所造成，還是因為該被輸送的流體304包含一接近該汽缸壁234 的切線速度，及該流體304被活塞220及222撤退(withdraw)時抽空的空間朝向該中心軸線316拉引。介於該中心軸線316與該渦流埠出口 310的外壁322之間的該遞減的半徑 320可在後退中的活塞220及222將流體以螺旋的方式往內朝向該中心軸線316拉引的同時引發沿著或接近汽缸壁234的高速流體流，用以進一步提高在該汽缸204內之該被輸送的流體304的角速度。與本文中描述之本發明主體相反地，一離開設置在汽缸頭處靠近該中心軸線316的提動閥的混合物被導入到一汽缸的中心。經由此閥被引入的流體的角速度會隨著流體的流場朝向汽缸壁擴張而降低。被輸送至該汽缸204的燃燒容積的流體304的渦流率可根據本發明主體的特定應用來加以改變。一高的渦流率可提高引擎100的熱傳特性。然而，高的渦流率亦會影響爆震 (knock)抵抗性及高壓縮比的耐受度。引擎100的這些特徵通常需要平衡。高的渦流率亦可改善燃燒速率，其可讓火花定時被推遲。換言之，火花可在開始不點火(onset misfire) 或其它燃燒不穩定之前，在燃燒循環中慢一點發生或在晚一點的曲柄角度發生，使得爆震程度可被減小且即使是在一大的壓縮比下在汽缸204內的高峰壓力可被保持在一所想要的範圍內。該引擎100可在全開節流閥下於推遲的定時(retarded timing)運轉用以限制爆震並犧牲某些效率，同時在部分開節流閥下於更進階的點火定時(更靠近或在MBT)運轉，用以在低動力條件下能夠高效率地操作。這些低動力條件是載客車輛特別有興趣的，因為全動力很少能達到，且通常持續時間不長。對衝活塞引擎，譬如圖1及圖2中所示及上文所述的引擎100，相對於其它內燃引擎結構而言，包括一用於熱傳遞之減小的表面積，該熱傳遞系來自汽缸的燃燒容積內的燃燒氣體。此等引擎因此受到來自該燃燒容積內的高速氣體之增大的熱傳遞的衝擊小於其它內燃引擎所受的衝擊。在一些實施例中，該左活塞220及右活塞222可包括低熱傳導材料或由低導熱性材料製成。一在活塞的TDC位置具有低的燃燒容積的表面積對體積比的引擎在某些實施例中可具有直徑相對小的活塞，其包含的散裝材料(bulk material)因而比其它內燃引擎內的活塞少。在一非限制性的例子中，在該引擎100內的活塞至少部分地由低導熱性材料，譬如鑄鐵，來形成。該等活塞使用低導熱性材料可讓更多在燃燒事件中產生的熱被保留在氣體內並用來作功。產生高渦流率於汽缸204的燃燒容積內可讓引擎達到高效率又不需要一可變壓縮比。一包含本案揭示的發明主體的一或多項特徵的引擎在某些例子中可利用火花先進控制來在部分打開節流閥下用先進的定時在大節流閥時容許一推遲的或延遲的點火條件。作為一示範性的非限制性的例子，歧管或文氏管真空(venturi vacuum)可被用來提供先進的點火控制。該汽缸204內之被輸送的流體304的渦流率在一些實施例中可藉由改變套筒閥體MO的出口埠區域104的截面積Al來調整。在一些實施例中，移動通過該渦流埠出口區 308的被輸送的流體304的平均埠流速可以是90m/sec。「平均埠流速」一詞指的是當流體移動通過該渦流埠出口區308時該流體的任意名義上的(nominal)平均速度。在該渦流埠出口區308內的該流體304的平均流速可改變，這會造成流體204在該汽缸204內渦漩，其速度比曲柄軸速率快約6倍或更多倍。例如，這些數值可在小孔引擎中被達成或什至超過。 在汽缸204內的渦流可與該渦流埠出口區308的截面積成正比。如果該渦流埠出口區308 的截面積Al被增大，則進入汽缸204的流體304的切線速度會被降低。相類似地，該流體 304的渦流的旋轉速率亦被降低。該流體304從該渦流埠出口區308進入汽缸204橫越該渦流埠出口 310的角度可隨著流體304的切線速度而改變。在該渦流埠出口區域中之一高的切線流體速度可造成淺的進入角度因為當流體304從該渦流埠出口區域橫越該渦流埠出口 310至該汽缸204時它將沿著汽缸壁234被引導，而在該渦流埠出口區域中之一低的切線流體速度可在流體304從該渦流埠出口區域橫越該渦流埠出口 310至該汽缸204時造成流體304的一陡峭的進入角度。一淺的角度可減小有效的閥打開面積，這可限制通過該閥之最大流體流量。此外，該渦流埠302可被設計成讓該渦流埠入口 306的管狀截面以所想要的角度接近該渦流埠出口區308讓流體304從該渦流埠出口區308通過進入汽缸204。 因此，一種具高渦流的設計將具有一較小的最大質量流及在渦流埠入口 306接近該渦流埠出口區308時(例如在圖2中的截面Al處)更切線的渦流埠入口 306配置。因此，一為了低渦流而設計的渦流埠302可提供一較大的最大流量及在渦流埠入口 306接近該渦流埠出口區308時經過一較大的渦流埠入口 306的角度。 圖3顯示該渦流埠出口區308的截面積(截面積A1-A7，每一者都是從該渦流埠出口區308的外壁322測量至套筒閥MO的內壁31 其面積系從位在該渦流埠出口區308 的開頭處的Al (最大的截面積)逐漸地減小至該渦流埠出口區308到達該終止結構314處 (其在某些實施例中可以是從該渦流埠出口區308的開頭算起的約340°處)的實質為零。 圖3顯示渦流埠302的可能截面積A1-A7的一個例子。這些截面積隨著流體304通過該渦流埠出口區308並進入汽缸204而減小。該渦流埠出口區308的截面積的減小迫使一部分的流體304經由該渦流埠出口 310進入汽缸204的燃燒容積，這可產生該流體304的流動的徑向分量。如果該渦流埠出口區308的截面積沒有如圖3所示地逐漸減小的話，則流體304較佳地將在該渦流埠出口區308的末端進入汽缸204(即，在遭遇到該終止結構314 時)，這會實質地限制該閥的有效面積。在此設計中，角動量將主導性地把流體304保持著靠近該渦流埠出口區308的外壁322，直到流體304遭遇到該終止結構314為止。同樣如圖3所示的，該渦流埠出口區308的終止結構314可被設置成它與一條與該汽缸204的內壁234相切的線形成一角度θ。在一非限制性的示範例中，該角度θ可以是約30度。其它的角度亦是在本發明的範圍內。該渦流埠入口 306亦可發必要地包括一稍微的彎曲或包括一或多個非直線的結構。該渦流埠入口 306可替代地或額外地被設計來迫使燃料小滴(droplet)，例如燃料如圖3所示地被噴注器3 及330噴注至該渦流埠入口 306內或附近，用以在這些燃料小滴在截面Al處進入該渦流埠出口區308撞在該套筒閥體 240的熱的套筒表面上。圖4為一圖表400其依據本發明主體的一示範性非限制性的實施例畫出該渦流埠出口區308內縮減的路徑面積是汽缸204的中心軸線C周圍的圓周位置的函數。該渦流埠出口區308內的該路徑或凹穴402介於該渦流埠出口區308的外壁322與該汽缸壁234之間的徑向寬度被示於圖4中，其中0°表示該渦流埠出口區的開頭處且流體流環繞著汽缸 204的圓周前進於順時鐘方向上。在環繞該汽缸204的圓周的每一點處介於該渦流埠出口區308的外壁322與該汽缸204的孔半徑(即，介於該中心軸線316與汽缸壁234之間的距離)之間的距離與垂直於該觀看平面的埠口深度的乘積(product)可界定用於該渦流埠出口區308中的凹穴內的流體的截面積，及整體地為該渦流埠302的截面積。或者，為了一具有圓形截面積的渦流埠出口區308(例如在Al至A7的每一點以及介於它們之間的所有點)，用於該渦流埠出口區308內的凹穴的流體(及用於渦流埠302整體)的截面積可以是(η /4)乘上在每一點介於該渦流埠出口區308的外壁表面322與汽缸204的孔半徑之間的距離的平方。圖4顯示該渦流埠出口區308的外壁322的一圓周地遞減的周長，該渦流埠出口區具有一帶有阿基米德螺旋形狀的圓形截面，該阿基米德螺旋形狀中截面積線性地減小，其系繞著該汽缸204的中心軸線316的徑向角度的函數。在此形狀中，大致相等數量之被輸送的流體304可藉由通過該渦流埠出口 310在該渦流埠出口區308周圍的任何角度位置處進入該汽缸204。其它截面形狀及構造的渦流埠出口區亦是在本發明主體的範圍內。例如，該渦流埠出口區308的截面積不一定要隨著徑向角度線性地減小，阿基米德螺旋形狀以外的螺旋形狀可被使用。而且，該凹穴的深度可被調整用以改變截面流面積。用於一特定的渦流埠302的特定尺度及形狀可根據引擎構造及設計要求來改變。有利地，該渦流埠出口區308的截面積繞著汽缸204的圓周從該渦流埠入口 306至該渦流埠出口區308 的終止結構314單調地減小。在一些實施中，當該閥被關閉時，在該歧管內沒有流動。當該閥打開時，介於該歧管與汽缸的內部之間的壓力差造成該流體流開始流動。圖5顯示本發明主體用於傳統內燃引擎500的另一實施例，在該引擎中一汽缸502 只包含一個活塞504，其活塞頭506與汽缸壁510及汽缸頭512 —起界定一燃燒容積。一套筒閥514可輸送流體(其可以是空氣、燃料/空氣混合物、或一些其它流體或其組合)至該燃燒容積使得一渦流運動以一種類似於上文描述的方式被產生在該燃燒容積內。該套筒閥 514可被設置在該汽缸頭512內或如圖5所示沿著汽缸壁510被設置。替代地或額外地， 一或多個提動閥516可被設置成一構造，其可將一流體或多種流體以一類似的方式輸送至該燃燒容積。圖5所示的示範性且非限制性的例子包括一套筒閥514其沿著該汽缸體壁移動以控制通過一用來產生渦流之入口渦流埠520的進氣流，及一在該汽缸頭512的中心的單一提動閥516，其如排氣閥般地操作。該提動閥516不一定要設置在汽缸頭512的中心。 一或多個火星塞522可被設置在受該提動閥516控制之該排氣埠524的邊緣與汽缸壁510 之間。同樣示於圖5中的是活塞連接杆526、曲柄軸530、入口閥彈簧532、及用來協調該提動閥516與該套筒閥514的操作的設備。該設備可包括，例如，一排氣閥彈簧534、一搖臂 536、一凸輪M0、一入口閥推桿M2、及一入口閥致動器M4，如圖5所示。其它的構造亦是在本發明主體的範圍內。示於圖5中的該引擎構造亦可與單一套筒閥514及多個用來控制多個排氣埠524 的提動閥516—起使用。一或多個火星塞522亦可被有利地設置來配合此一構造。在一些實施，離開該入口渦流埠520進入該燃燒容積的燃料小滴可被朝向汽缸壁510導引用以造成靠近該燃燒容積的周邊的流體混合物更富含燃料且更容易點燃。在此例子中，利於火星塞522的位置可以是一或多個在該汽缸頭512內靠近汽缸壁510的位置及在汽缸壁510中類似於圖2所示的結構。如所描述地產生的混合物梯度可被使用在單活塞及對衝/雙活塞引擎構造兩者中。示於圖5中的引擎構造亦可包括單一個截面積相對小的提動閥516其設置在該汽缸頭512內靠近該汽缸510的中心軸線。該提動閥516可如一入口閥般地作用，而該套筒閥514則如一排氣閥般地作用。與讓該提動閥516控制排氣埠5M並負責一大部分的汽缸頭512的表面積相比較，此構造也許不能達到相同的蓄熱特性，但可提供更高的壓縮比，因為該進氣閥保持在一較低的溫度因此爆震傾向可被降低。此構造將被輸送的流體引導至汽缸的外面(如圖3所示)，其如上所述地可產生較低的渦流速度於該燃燒容積內。然而，根據一引擎的特定特徵，此一閥構造及所產生的較低的渦流條件仍可達到本文所討論的一或多個優點。圖6及圖7A及7B顯示一包含本發明主體的渦流埠之套筒閥體240 —連串的圖式。 圖6顯示該具有圖3所示的渦流埠302之套筒閥體MO的前視圖。如圖所示，該套筒閥體 240包括一安裝板602用來安裝至引擎本體206。該渦流埠302包括一渦流埠入口 306及一渦流埠出口區308。在該渦流埠出口區308內讓一流體從該渦流埠出口區308通過到達該汽缸內的燃燒容積內的開口在圖6中是看不到的，因為它被一凸緣面604擋住。如圖6 所示且如上文中討論的，該渦流埠出口區308的截面積從該渦流埠入口 306朝向該渦卷狀的該渦流埠出口區308的末端減小。為了示範的目的，該渦流埠302的一些截面積被示於圖6中(如，A2、A3、A4、A5)且對應於圖3所示的截面積。在圖6所示的設計中，該渦流埠出口的面積投影(其為閥升程(valve lift)乘上汽缸的圓周)約為在該渦流埠入口 306 處之截面流面積的兩倍。相關於該汽缸排氣量及引擎設計速度的選擇來選擇在該渦流埠入口 306處之截面流面積可界定該流體304在輸送至該燃燒容積時的切線速度。與淨徑向速度相結合的此切線速度可決定該流體流流過該閥開口的角度。此角度可決定該閥的有效面積，因為該有效面積可以至少約等於流過該閥開口的流體流的正弦分量與該閥開口的投影面積的乘積。 因為圖6中的渦流埠出口 310的投影面積是在該渦流埠入口 306處的截面流面積的兩倍， 所以一 30度的角度可被用於該流過該渦流埠出口 310(其亦可被想作是該閥開口)的流體流。以此方式，該閥的投影面積被減小sin30°，這可給予從該渦流埠入口 306至該流體在該渦流埠終止結構314處進入到該汽缸204的最終出口的該流體304 —近乎固定的速度， 即使在該流體304流動於該汽缸204的周邊周圍時該流體304被持續地從該渦流埠出口區 308經由該渦流埠出口 310輸送至汽缸204的情況中亦然。圖17A及17B顯示該渦流埠302內的凹穴402的兩種表現方式，流體304移動於該凹穴內，從該渦流埠入口 306通過該渦流埠出口區308。在圖7A及7B中，在該渦流埠302 內的凹穴402為了易於觀看而被顯示為一實心的構件。如圖所示，凹穴402的截面積從該渦流埠入口 306通過該渦流埠出口區308減小至該終止結構314。亦如圖7A及7B所示，整個凹穴402不必有相同的或什至是相似的形狀。雖然上文已描述通過該埠口的燃料與空氣的混合物，但描述於本文中之發明主體亦可應用在用於直接式的汽缸內燃料噴注之只有空氣的氣流上。直接噴注可在一用於火花點火之以汽油作為燃料的循環的早期階段被實施或在一以柴油作為燃料的循環中在接近上死點(TDC)處被實施。一或多個噴注器可被用來將燃料散布在該燃燒容積內。此構造可結合傳統的柴油杯或圓錐活塞來使用，或與一具有對衝活塞結構的引擎結合使用，用以利用上文中提到的動量守恆來將已經很高的渦流在該汽缸的中心壓縮至更高的數值。一種與本發明主體一致的噴注策略包括了用與該燃燒容積內的空氣的旋轉速率成正比的速率噴注燃料。例如，對於燃料是在30度的曲柄角度內被引入且在該燃燒容積內部的渦流速率是曲柄軸轉速的6倍的引擎而言，透過兩個被汽缸的直徑分隔開的噴注器輸送的燃料在燃料被噴注的同時造成一半的空氣進量被掃過每一燃料噴注器，藉以造成該燃料藉由該空氣被均勻地分布。一如上文所述之噴註定時(injection timing)可得到該燃燒容積內一相對低的壓力上升率的結果。替代地或額外地，一早期噴注可被用來在主要噴注之前升高該腔室溫度及壓力，使得用於後續的燃料的點火延遲可被最小化。一短的點火延遲及一長的噴注持續時間可造成一低的壓力上升率，這可降低引擎結構的負荷並可以有更輕的構造，及更有經濟效益的引擎。在一些實施中，產生尺寸夠小的的噴注小滴使得一小滴的動量最多只能將小滴載送至橫跨該汽缸204的半途是有利的。圖8A及8B分別顯示沿著一汽缸的中心軸線316及垂直於該中心軸線觀看的剖面圖。一具有渦流埠入口 306的渦流埠302及一渦流埠出口區 308 ( 一渦流埠出口 310設置於其內)可提供空氣至該汽缸204內的燃燒容積。兩個燃料噴注器802可被設置來將然料小滴804引導至該燃燒容積內。讓燃料小滴804之被噴注的卷流(plume)成為寬且扁平用以將與活塞220的接觸減至最小是有利的。額外地或替代地， 活塞頂806可被塑形用以避開燃料小滴804的卷流。圖9顯示一實施例的結構，其中一渦流埠900能夠在一實質地垂直於該汽缸中心軸線316的方向上或與汽缸壁234更正切地輸送空氣至一汽缸204。該渦流埠900包括一入口 902其被分割成一第一區段904及一第二區段906。在輕負荷及空氣流時，該第一區段 904可被關閉或堵住，例如用一閥或類此者，藉以強迫所有進入的空氣通過打開的第二區段 906，用以在該流體離開與該第二區段906流體連通的該埠出口區908時引發該流體流的一切線分量並經由一埠出口 910進入該汽缸204。該埠出口區908與該第二區段906流體連通的部分可具有上文討論的該渦流埠出口區308的一些結構特徵。然而，如圖9所示，該埠出口區908的這個部分不能橫越與上文討論的及圖3所示的該渦流埠出口區308所能橫越的汽缸204的圓周一樣多。第一區段904及第二區段906可為了在較高的引擎負荷時有較高的效率而被打開，以容許一具有較不明顯的紊流程度及較少的熱損失的高流體流率。圖 10顯示圖9所示的實施例的進一步變化，其可在高負荷時產生增大的渦流速率。該埠出口區908可被擴大用以包括一更大部分的汽缸204的圓周，使得當該入口 902的第一區段904 被關閉時，經由該第二區段906被輸送至該汽缸204的流體可被輸送通過一埠出口 910，其橫跨更大部分汽缸204的圓周，藉以施予更大的切線速度及引發更顯著的渦流於該燃燒容積內。在典型的駕駛條件下，引擎最常在輕負荷下操作。一提高的渦流速率可擴大貧乏操作(lean operation)操作範圍，用以將NOx減至最少。圖11顯示減小的渦流速率埠1100，在此埠內該埠速度可在該汽缸204的輸送角度被增加以降低切線速度的同時被保持在或接近定值。以此方式，使用該汽缸的整個周邊可能會是不恰當的，如果該埠出口 910及埠入口 902的截面流面積與上文討論的相同的話。例如，如上文討論的，一渦流埠在一些實施例中可具有六(6)個渦流，這表示在該汽缸204中的流體流在它將活塞帶動上下一次的時間內繞著該汽缸204完成了六次旋轉。 此條件可在一示範性例子中被達成，該例子將該渦流埠設計成可在一埠出口 910 (閥)打開之下提供一固定的90m/sec的流速，該埠出口只能支援45m/sec的流速如果該流體流垂直該埠出口 910的開口到達的話。為了要保持該流體流速度固定，該流體304可以30°的角度到達該埠出口 910的開口，這可有效地將該埠出口 910的有效開口面積減小一半(sin30° =0. 5)。為了要讓流過該埠的流體304在它通過該埠出口 910的開口時保持在90m/sec的速率，該切線速度等於cos30°乘上90m/sec的流體流速度或等於78m/sec。該78m/sec除以該汽缸204的圓周(即，π乘上汽缸孔直徑)，其在此示範性例子中為51mm，得到在該汽缸孔的外徑處約每秒480轉。在4800rpm時，這產生6的渦流率。為了要在減少渦流數的同時維持該90m/sec的流體流速度，該流體流經由該埠出口 910進入該汽缸204的角度必需被增加，使得該流體流速度的切線分量被減小。例如，如果該流體流以60°而不是30° 的角度通過該埠出口 910的話，則COS60°是0. 5，所以該流體流速度在該汽缸204內的切線速度為90m/sec乘上0. 5，或等於45m/sec，其等於在上述的示範例汽缸中約每秒240轉， 藉以給予3的渦流數。然而，此修改亦改變了該埠出口 910(閥開口)的有效面積，即有效面積乘sin30°再除以sin60° (因為對於被形塑成一個環繞該汽缸204的圓周之具有固定寬度的槽口的埠出口 910而言，埠出口 910的有效面積為進入角度的正弦值、該孔的周邊、及該埠出口 910或閥開口的高度的乘積)。因此，為了要將該流體流速維持固定，該埠出口 910(閥開口)的投影面積應被減小sin30°除以sin60°的比率。此投影面積的減小在一些實施例中可藉由將閥升程(該埠出口 910的開口的高度)以此比率減小，或藉由將該出口埠區908 (及類似地該埠出口 910)延伸環繞該汽缸204的圓周的程度以此比率減小來達成。如果該埠出口 910環繞該汽缸204的圓周的程度被減小的話，則當該流體具有一較高的徑向速度及一較慢的切線速度時必需將該埠出口區908的截面流面積更快地漸縮 (taper)，用以讓它從在該入口埠902處的截面流面積漸縮至零。此問題的一示範性的解決方案將會是把介於如圖3中所示的終止結構314與該汽缸壁234之間的角度θ改變成60 度且讓該該埠出口區908隻圍繞該汽缸204的圓周約(0. 5/0. 86)乘上360° = 207°。因此，如上述的例子所示，在該汽缸204中一低渦流率可需要一低的進入該汽缸之流體的切線速度。然而，維持相同的流動速度會造成一相對應地很高的徑向速度。如果該流體以一高流率離開該埠出口 910進入該汽缸204的話，則必需減小該埠入口 910的投影面積，用以在該流埠內維持相同的流體速度。這可藉由使用一較短的閥升程(較小的槽口形埠出口 908的高度)或藉由縮短圍繞長度(一槽口形埠出口圍繞該汽缸204的圓周的程度較小)來達成。圖12顯示入口埠1200的另一個例子，其可產生一渦流條件於一汽缸內。一彈簧或節流閥致動的導流片1202可被用來在低負荷時將流體流導至該埠入口 902的一側並在高負荷時容許流體流被引導於環繞該汽缸204的兩個方向上。該導流片1202可在低負荷時施予特別高的切線速度，用以進一步提高該貧乏操作極限。圖13顯示一用來操作內燃引擎的方法的處理流程圖1300。在1302，該方法可包括經由一渦流埠輸送流體至一內燃引擎的汽缸的燃燒容積內。該燃燒容積至少是由一汽缸壁及該汽缸內的活塞所界定。在1304，將該被輸送的流體可以一流體速度被引導環繞該汽缸的周邊，該流體速度系以遠離該汽缸壁的曲線的切線一預定的角度被設置。在1306，該被輸送的流體的引導可在該流體點火之前產生一渦流運動於該燃燒容積內。該渦流運動可在一用渦流數量化的渦流率發生，該渦流數代表該流體在活塞的一循環期間繞著該汽缸迴轉的次數。描述於本文中之本發明的主體可根據所想要形態被體現為系統、設備、方法、及/ 或物件。在上述描述中提出的實施方式並不代表所有與本文中描述的本發明的主體一致的實施方式。相反地，它們只是一些與本發明的主體相關的態樣一致的例子。雖然數個變化例已於上文中詳細地加以描述，但其它修改或增加亦是有可能的。詳言之，除了本文中提到的之外，還有其它的特徵及/或變化可被提供。例如，描述於上文中之實施方式可被導向所揭示的特徵的各式組合及次組合及/或揭示於上文中之數種其它特徵的組合及次組合。此夕卜，描繪於附圖中及/或描述於本文中的邏輯流程並不必定需要依照所示的特定順序，或連續順序，來達到所想要的結果。其它的實施方式亦是在下面的申請專利範圍的範圍內。
權利要求
1.一種內燃引擎，包含在該內燃引擎的汽缸內的一燃燒容積(combustion volume), 其至少是由一汽缸壁及在該汽缸內的一活塞所界定；及一渦流埠，其經由一渦流埠出口將一流體輸送至該燃燒容積內，使得該被輸送的流體以一流體速度被引導環繞該汽缸的周邊，該流體速度系以遠離該汽缸壁的曲線的切線一預定角度加以配置，用以產生一渦流運動於該燃燒容積內，該渦流運動系發生在一用渦流數來量化的渦流率，該渦流數系表示該流體在活塞的一循環期間環繞該汽缸迴轉的次數。
2.根據權利要求1項所述之內燃引擎，包含一火花源，其將該燃燒容積內的該流體點燃。
3.根據權利要求1項所述之內燃引擎，其中該渦流埠的入口具有第一截面流面積，及包含該渦流埠出口的一渦流埠出口區具有一第二截面流面積，其隨著離開該入口的距離而減小，及其中該渦流埠出口的大小不隨著離開該入口的距離而改變。
4.根據權利要求1項所述之內燃引擎，更包含一套筒閥，其包含該渦流埠，該套筒閥被設置成至少部分環繞該汽缸，其中該渦流埠包含一截面積遞減的管子。
5.根據權利要求1項所述之內燃引擎，更包含一燃料噴注器，其將燃料輸送至該燃燒容積持續一段與該渦流率相匹配的燃料輸送期間，用以將該被輸送的燃料均勻地散布於整個燃燒容積，其中該內燃引擎被建構來如一柴油引擎般地操作。
6.根據權利要求1項所述之內燃引擎，更包含一火花源及一燃料噴注器，其用與該渦流率相匹配的一噴註定時(injection timing)將燃料輸送至該燃燒容積，用以將該被輸送的燃料均勻地散布於整個燃燒容積，其中該內燃引擎被建構來如一直接噴注火花點火引擎般地操作。
7.根據權利要求6項所述之內燃引擎，其中該燃料噴注器被引導用以在靠近該汽缸壁處，產生比在該汽缸中心處更富含燃料的一混合物區域。
8.根據權利要求6項所述之內燃引擎，其中該流體包含空氣，該火花源被設置在該汽缸的周邊，及該燃料噴注器噴注該燃料使得該燃料的小滴(droplet)與該被輸送的流體混合，使得該渦流運動引發的向心力將該等小滴推至該汽缸的周邊以產生混合物梯度，其在該周邊處包含更富含燃料的區域讓該火花源點火。
9.根據權利要求1項所述之內燃引擎，其中該渦流數等於該流體離開該渦流埠出口進入該汽缸時該流體的切線速度除以該汽缸的圓周及除以該引擎的曲柄軸的曲柄軸旋轉速率。
10.根據權利要求9項所述之內燃引擎，其中該切線速度等於通過該渦流埠出口進入該汽缸內的該流體的離開角度的餘弦值乘上該流體在該渦流埠內的流動速度。
11.一種方法，包含經由一渦流埠將一流體輸送至一內燃引擎的汽缸內的燃燒容積中，該燃燒容積至少是由一汽缸壁及在該汽缸內的一活塞所界定，將該被輸送的流體以一流體速度引導環繞該汽缸的周邊，該流體速度系以遠離該汽缸壁的曲線的切線一預定角度加以配置；及藉由引導該被輸送的流體，用以在該流體點火以前，產生一渦流運動於該燃燒容積內，該渦流運動系發生在一用渦流數來量化的渦流率，該渦流數系表示該流體在活塞的一循環期間環繞該汽缸迴轉的次數。
12.根據權利要求11項所述之方法，包含用由該燃燒容積內的一火花源所產生的火花，點燃該燃燒容積內的流體。
13.根據權利要求11項所述之方法，其中該渦流埠的入口具有第一截面流面積，及包含該渦流埠出口的一渦流埠出口區具有一第二截面流面積，其隨著離開該入口的距離而減小，及其中該渦流埠出口的大小不隨著離開該入口的距離而改變。
14.根據權利要求11項所述之方法，更包含一套筒閥，其包含該渦流埠，該套筒閥被設置成至少部分環繞該汽缸，其中該渦流埠包含一截面積遞減的管子。
15.根據權利要求11項之方法，更包含用一燃料噴注器將燃料輸送至該燃燒容積持續一段與該渦流率相匹配的燃料輸送期間，用以將該被輸送的燃料均勻地散布於整個燃燒容積，其中該內燃引擎被建構來如一柴油引擎般地操作。
16.根據權利要求11項所述之方法，更包含如一直接噴注火花點火引擎般地操作該內燃引擎，該操作包含用一燃料噴注器以與該渦流率相匹配的一噴註定時，將燃料輸送至該燃燒容積，用以將該被輸送的燃料均勻地散布於整個燃燒容積；及用一火花源點燃該被散布的燃料。
17.根據權利要求16項所述之方法，其中該燃料噴注器被引導用以在靠近該汽缸壁處，產生比在該汽缸中心處更富含燃料的一混合物區域。
18.根據權利要求16項所述之方法，其中該流體包含空氣，該火花源被設置在該汽缸的周邊，及該燃料噴注器噴注該燃料使得該燃料的小滴與該被輸送的流體混合，使得該渦流運動引發的向心力將該等小滴推至該汽缸的周邊以產生混合物梯度，其在該周邊處包含更富含燃料的區域讓該火花源點火。
19.根據權利要求11項所述之方法，其中該渦流數等於該流體離開該渦流埠出口進入該汽缸時該流體的切線速度除以該汽缸的圓周及除以該引擎的曲柄軸的曲柄軸旋轉速率。
20.根據權利要求19項所述之內燃引擎，其中該切線速度等於通過該渦流埠出口進入該汽缸的該流體的離開角度的餘弦值乘上該流體在該渦流埠內的流動速度。
全文摘要
一種內燃引擎可包括一在該內燃引擎的汽缸內的燃燒容積(combustion volume)。該燃燒容積可至少由一汽缸壁及在該汽缸內的第一活塞來界定。一渦流埠可經由一渦流埠出口將一流體輸送至該燃燒容積內，使得該被輸送的流體以一流體速度被引導環繞該汽缸的周邊，該流體速度系以遠離該汽缸壁的曲線的切線一預定角度加以配置，用以產生一渦流運動於該燃燒容積內。
文檔編號F02B23/08GK102482986SQ201080036862
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月20日 優先權日2009年8月20日
發明者西蒙.D.傑克遜, 詹姆斯.M.克利維斯, 麥可.A.霍克斯 申請人:品納科動力有限公司