CN106662001A - 内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

内燃发动机(10)包括至少一个气缸(12)、气缸盖和燃烧室(6)，其中，气缸(12)具有活塞，气缸盖包括进气管道(3)、排气管道和至少一个腔室气门(2)，进气管道(3)包括进气阀1从而仅允许一个方向上的流动，排气管道不包括机械式流动限制装置，进入流体和排出流体经由管道(3、4)通过所述至少一个腔室气门(2)进入和流出气缸(12)，燃烧室(6)处于气缸(12)中使得允许腔室气门(2)在活塞(5)处于上止点时显著打开，从而使得流体、流体流动压力和压力波能够在气缸、进气管道(3)和排气管道(4)之间传递。

Description

内燃发动机
本发明涉及内燃发动机和操作内燃发动机的方法。
内燃发动机通常包括容纳于气缸内的活塞，该气缸包括进气管道和排气管道，其中，进气管道用于引入燃料和空气混合物，排气管道用于释放排放气体。在四冲程内燃发动机中，通过活塞的向下运动经由进气管道吸入空气和燃料；然后通过活塞的向上运动对燃料空气混合物进行压缩；之后被压缩的混合物燃烧从而导致活塞进行向下做功冲程；然后活塞的向上运动迫使排放气体经由排气管道排出，其中进气管道已关闭。
US 8056541描述了一种内燃发动机，该内燃发动机具有位于燃烧室中的凹部和用于每个气缸的单个提升阀。FR 2859764描述了一种用于多气门(valve)柴油发动机的燃料喷射系统。AT 390998描述了一种在燃烧室中具有凹陷部和同心阀的内燃发动机，以及GB2203192描述了一种在进气管道和排气管道中具有阀(valve)组合的内燃发动机。
内燃发动机的先前设计出现问题是因为通常难以确保：气缸在吸气冲程中完全充满空气燃料混合物，以及在排气冲程中完全扫除排出气体。气缸的这种不完全填充和不完全扫气降低发动机功率输出和燃料效率。
本发明的目的在于解决上述缺点。
根据本发明的一方面，内燃发动机包括至少一个气缸、气缸盖和燃烧室，其中，气缸具有活塞，气缸盖包括进气管道、排气管道和至少一个腔室气门，进气管道包括进气阀以仅允许在一个方向上流过所述进气管道，排气管道不包括流动限制机构或区域，进入流体和排出流体经由进气管道和排气管道通过上述至少一个腔室气门进入和流出气缸，燃烧室处于气缸中使得允许腔室气门在活塞处于上止点时显著打开，从而使得流体、流体流动压力和压力波能够在气缸、进气管道和排气管道之间传递。
在本发明的第一优选实施方式中，当活塞接近其冲程的顶部时，排气管道调谐成使进入流体加速并且在气缸中产生负压，以通过利用排出流体的流动中的能量、经由至少部分吸气冲程来协助用进入流体填充气缸。
另外，优选地，排气管道调谐成利用排出流动中的能量和压力波来影响进入流体的动力和/或流动，从而使用来自排出流动的反射负压波来协助对气缸扫气。
在又一实施方式中，排气管道调谐成利用排出流动中的能量和压力波来影响进入流体的动力和/或流动，从而使用反射正压力波来协助填充气缸。
在一些情况下，正压力波可迫使从进气管道抽吸到排气管道中的流体回到气缸中。
在本发明的另一优选实施方式中，通过调节排气管道的长度和/或形状和/或直径来对排气管道进行调谐。
在本发明的优选实施方式中，所述发动机还包括将进气管道和排气管道分隔开的壁，所述壁在第一方向上将流体引导至气缸中并在第二方向上将流体引导出气缸，其中，所述第一方向和所述第二方向为不同的方向。
优选地，燃烧室成形为允许腔室气门在活塞处于上止点时显著打开，从而大致令所有剩余的气缸空间和燃烧室空间置于阀头的下表面之上。另外优选地，所述壁是将进气管道和排气管道分隔开并且位于腔室气门的阀座正上方的基本竖直的壁。在本发明的一些实施方式中，该壁位于腔室气门垂直轴线的中心或任一侧。
腔室气门可位于进气管道和排气管道与气缸的主腔室之间。腔室气门的宽度可以大于气缸宽度的20％的直径。腔室气门优选地具有在气缸宽度的25％和75％之间的宽度，最优选地，该宽度在气缸宽度的40％和60％之间。
另外优选地，进气管道和排气管道中的一个或二者都与气缸的侧壁的纵向轴线成角度地或与气缸的侧壁相切地进入气缸。在另一实施方式中，进气管道和/或排气管道相对于气缸的纵向轴线倾斜地进入气缸，优选地，以相对于水平面在35度和90度之间的倾斜度。
根据本发明的重复，壁可以定位成使得其针对进气管道和排气管道形成尺寸相等的孔口，或者针对进气管道或排气管道中的任一个形成尺寸较大和尺寸较小的孔口。当腔室气门闭合时，其可通过与壁形成密封或部分密封而完全或部分地阻塞进气管道和排气管道之间的气体通道。当腔室气门打开时，进入气体可通过由排出气体的流动引起的负压或吸力而被吸入排气管道中。
优选地，每个气缸都具有单个腔室气门，并且进气管道和排气管道可以通过腔室进入气缸，从而连接位于腔室气门阀座之上的进气管道和排气管道。
优选地，进气管道阀可以是簧片阀，腔室气门是提升阀。
排气管道可连接到排气管道消声系统和/或排气消声系统。排气管道、管路或消音器可设置其内部尺寸和形状，以控制排出气体的流速和压力。
腔室气门可具有阀座，该阀座形成进气管道和排气管道与主腔室之间的边界。
在进气管道和/或排气管道相对于气缸的纵向轴线倾斜地进入的情况下，各管可布置在发动机的相对侧处。进气管道的对准可使在腔室气门阀头上方进入气缸的流体在气缸内形成使气体和燃料混合物移动的与环、筒或一个或多个水平对齐的圆柱相似的形状。根据本发明的另一个重复，燃烧室形成于气缸盖中的凹部与平坦或略微凹陷的活塞顶表面之间。从活塞顶部观看，气缸盖中的凹部可为大致椭圆形或长形形状。该椭圆形或长形轮廓的长度可与气缸孔的直径相同或比气缸孔的直径略小。该椭圆形或长形的宽度可与腔室气门的头部的直径相同或比腔室气门的头部的直径略大。腔室的较长壁可以是竖直的，并且较窄的壁可以以一个角度向上倾斜以与腔室气门阀座接触。这种形状在活塞的顶部与邻近燃烧室的窄侧的气缸盖之间留出挤压区域。
在本发明的另一实施方式中，燃烧室形成于气缸盖中的凹部与平坦或略微凹陷的活塞顶表面之间。优选地，燃烧室是位于气缸盖中的、具有环形挤压区域的紧凑环绕式(circular)部分圆锥形燃烧室。可替代地，燃烧室是具有长形或椭圆形的燃烧室，在该燃烧室的相对侧上具有两个D形或月牙形挤压区域。在另一替代方案中，燃烧室大致是位于活塞中的具有环形挤压区域的圆柱形凹陷部，该环形挤压区域可具有在零度与三十度之间的倾斜度。
活塞中的凹陷部可以是边缘陡峭的，优选具有大致竖直的侧部。凹陷部优选地大致在活塞的纵向轴线的方向上延伸。
凹陷部可大致为圆柱形。凹陷部可包括至少一个向外延伸的较小凹处。该凹处或每个凹处可定位成允许发动机的火花塞突出到主腔室中。该凹处或每个凹处可以是不对称的。
凹处可呈凸角形，在使用中导致在围绕凹陷部流动的流体中形成旋涡。所述旋涡可形成于火花塞附近。
从活塞顶部来看，燃烧室的形状可为具有比腔室气门的直径更大的直径的圆形，并且具有与气缸直径相等或比其小的直径。从侧视图来看，燃烧室的壁可从阀座的较大直径倾斜或弯曲至较小直径。当燃烧室形成为具有比气缸小的直径时，可在活塞顶部与燃烧室凹处的该较小直径之间形成环形挤压区域。
这三个燃烧室的重复都允许腔室气门在活塞处于上止点时在很大程度上或完全打开，并且允许使用大直径腔室气门、紧凑的燃烧室和高压缩比。
本发明扩展到具有如上所述的进气管道、排气管道、分隔壁、孔口、气门、排出装置和燃烧室的内燃发动机。
根据本发明的另一方面，一种使内燃发动机吸气的方法包括：大致在相对于气缸的侧壁的纵向轴线的偏移处，将流体引导到发动机的气缸中。
优选地，在大致与气缸的侧壁的切线处引导流体，从而使得流体围绕气缸的轴线做旋涡运动。
进气管道和排气管道可在气缸盖中大致彼此相邻。
可以以相对于气缸的纵向轴线的倾斜度将流体引导到气缸中，优选地，以与纵向轴线成约5度至45度的倾斜度来引导。
流体可从进气管道进入气缸的辅助腔室。辅助腔室中的通道可引导流体。
通道可将流体从辅助腔室引导至气缸的主腔室。通道可通过位于发动机的气门与该气门的阀座之间的间隙将流体引导至主腔室中。优选地，腔室气门位于气缸的辅助腔室与主腔室之间。在一些情况下，腔室气门具有阀座，该阀座形成辅助腔室与主腔室之间的边界。
离开气缸主腔室的流体可由辅助腔室中的通道引导至排气管道。
该方法可包括将燃料喷射到气门上，从而令燃料雾化和/或令气门冷却。
活塞端部中的凹陷部可包括较小的凹部，该凹部可采用可容纳突出至气缸中的火花塞的凸角形状的向外延伸部的形式。该向外延伸部可导致靠近火花塞形成流体旋涡。
本文公开的所有特征可以以任意组合与任意上述方面结合。
以下将参照附图通过示例来描述本发明的具体实施方式，在附图中：
图1是从单气门内燃发动机上方观察的示意性局部剖视图；
图2是图1中的发动机的示意性局部横截剖视图；
图3是发动机的示意性横截剖视图，示出在压缩冲程结束时由活塞的成角度边缘紧密接近引起的对气缸的成角度顶部的挤压效应；
图4是发动机的示意性局部横截剖视图，示出点火点处的布置和可能的气体流动；
图5是发动机的示意性局部横截剖视面，示出在吸气冲程之前活塞在上止点处的气体流动效果；
图6是发动机的示意性横截局部侧视剖视图，示出吸气冲程期间发动机内可能的气体流动；
图7是发动机的替代实施方式在燃烧步骤期间的示意性横截局部俯视剖视图；
图8是发动机和排气装置的实施方式的示意性横截局部侧视剖视图，示出在吸气冲程结束之前排气装置中的压力波反射；
图9是发动机的替代实施方式的局部示意性侧视横截剖视图；
图10是图9的发动机的示意性局部俯视剖视图；
图11是具有平顶活塞和圆形燃烧室的替代实施方式的示意性侧视图，其中圆形燃烧室位于活塞上方；
图12是沿着图11中箭头C的方向观察的发动机的示意性横截剖视图，示出位于燃烧室的边缘处的环形挤压区域；
图13是具有位于活塞上方的长形/椭圆形燃烧室的替代实施方式的示意性侧视图；
图14是发动机的示意性横截剖视图(沿着图13中箭头D的方向观察，示出位于燃烧室的两侧上的“D”形挤压区域；
图15是与图14对应的示意性端视图。
图2示出内燃发动机10，内燃发动机10每个气缸12都具有单个腔室气门2，内燃发动机10具有进气管道3和排气管道4，进气管道3和排气管道4二者均从内燃发动机10的外表面通向在气缸12的主腔室上方的腔室7。在本发明的优选实施方式中，进气管道3和排气管道4可位于气缸的相对侧，并且由靠近气缸12顶部终止的基本竖直的壁23分隔开，从而在腔室气门2关闭时令腔室7减小至最小间隙。虽然在本发明的优选实施方式中设置有壁23，但是壁23不是必须的，并且在没有将进气管道和排气管道分隔开的壁的情况下发动机仍然可操作。可替代地，可在进气管道3与排气管道4之间设置其他分隔装置，并且所设置的分隔类型通常将取决于进气管道3和排气管道4相对于燃烧室6的方位。气门2位于气缸12的顶端，并且布置成打开和关闭气缸12的顶端中的开口。优选地，腔室气门2是具有阀杆(stem)18和阀头16的提升阀(并且在所有示出的实施方式中均为提升阀)，但是也可使用其它类型的阀。活塞5位于气缸12内，并且布置成以常规的方式移动。燃烧室6位于活塞5的上端中，或者位于活塞5的顶部与提升阀阀头(head)16的下表面之间的空间中。
更详细地，进气管道3以大约60度的角度从发动机10的上端向下延伸至腔室7，然而，该角度可在30度至90度之间变化。进气管道3连接腔室7。在腔室7上游的短距离处，进气管道3变宽并且设置有簧片阀1，以防止排出流体向上返回流经进气管道3。通常，簧片阀1是压敏单向流动装置。
排气管道4从腔室7延伸出，并且遵循大致为进气管道3的镜像图像的路径(参见图2)，但是排气管道也可遵循替代(非镜像)路径。排气管道4具有相对大的直径并且具有平滑的侧部，以促进排出气体迅速离开排气管道8(如图8所示)。优选地，排气管道4是无阀系统，并且不包括任何其他物理流动限制件。当然，排气管道4可连接至用于与2冲程或4冲程发动机一起使用的标准排气系统8，标准排气系统8可设置有物理限制件或阀，以限制后续排气系统中的流动。
提升阀2有效地在燃烧室6上形成“盖”。提升阀具有盘状件形式的阀头部分16，阀头部分16设置成用于通过阀杆部分18的运动而相对于气缸12运动，从而可选地密封室7。提升阀阀头16的直径或宽度可以为活塞直径的约50％。如图所示(图5)，提升阀2的阀头16成形为在于活塞式燃烧室中使用碗状部的发动机的循环(iteration)中紧密地配合在燃烧室6的基础部中。
为了使气体/流体能够以最小的限制流出和流入发动机，燃烧室6配置成在活塞5处于其冲程的顶部(上止点)时允许提升阀2基本打开，并且燃烧室6可形成为位于活塞冠部中的碗状部或者形成为位于气缸盖中的凹部，其中所述气缸盖位于提升阀2下方且位于活塞顶部上方。图2至图15所示的燃烧室6使得流体能够自由地进入和离开气缸，其与紧凑的腔室形状结合从而由于使用允许高压缩比的形状和体积而允许良好的压缩。这使得进入空气/燃料混合物能够良好地燃烧。燃烧将受到后面附图中所示的显著挤压区域22进一步协助。
当燃烧室在活塞5的顶部中时，燃烧室的横截面通常为圆形，但是它也可包括凹部20，凹部20可是凸角形，并且成形为允许火花塞插入腔室6中(参见图7)。如图所示，该燃烧室6大致为具有基本平坦的基础部的圆柱形，尽管基础部可设置有小的突起。提升阀2的阀头16也具有平坦的基础部，并且如图5所示，当气门位于燃烧室6的底部上时，阀头16紧贴地位于燃烧室6的基础部的顶部上(参见图5)。在本发明的该实施方式中，阀头16和燃烧室6的基础部都是平坦的，但是也可考虑其它形状。例如，燃烧室6可以是具有凹形侧部而不是竖直侧部的半球形的。燃烧室6可具有盘状基底，在这种情况下，阀头16可类似地成形。虽然本发明的一个优选实施方式包括具有平坦阀头16的圆柱形燃烧室6，但是燃烧室6和阀头16的确切形状不如以下事实重要：使燃烧室6和阀头16成形为使得阀头16将紧密贴靠燃烧室6的内部，具体地防止在阀头的底表面与燃烧室基底之间捕获流体囊(pocket)。
当包括凹部20时，凹部20还用于允许火花塞9的尖端在突出到燃烧室6中之处距离活塞5必要的间隙。可围绕燃烧室的圆界使用两个或更多火花塞9，每个火花塞9都具有自身的凹部20。当然，如果发动机10将与柴油燃料一起使用，则火花塞(以及相关联的凹部)可能不是必需的。优选地，柴油压缩点火型式很可能在活塞冠部中使用甚至更紧凑的燃烧室碗状部。
图3至图6中示出发动机10的一个实施方式的各操作阶段。
在使用中，通过由活塞5在气缸12内的向下运动所产生的吸力以及由排出流体运动通过排气管道4和排气管道8的迅速流动所产生的负压，流体被吸入进气管道3中。因为进气管道3的向下方位使吸入的进入气体/流体以向下的方向和动量流动，所以使得流体移动至气缸12中，其中所述流体是通过由活塞5的向下运动和令在相反的向上方向上作用的排出气体柱迅速运动二者所生成的负压而被吸入的。负压力的这种组合在由活塞在气缸12内的运动而腾出的空间中产生强大的吸入效应，从而允许以进入流体有效地填充发动机10。该流体的流动由分隔壁23进行引导，当需要有效地填充气缸时，该分隔壁23有助于将进入流体引导到气缸12内，并防止进入流体被吸入排气管道4内。在这个操作阶段，提升阀2处于打开位置(如图2和图6所示)，这允许将流体吸入气缸12内。随着流体被吸入气缸12内，可将燃料注入移动的空气流中或通过化油器引入。优选的是，将燃料直接喷射至燃烧室6内；然而，这不是本文所描述的系统的要求。
在压缩冲程开始之前，提升阀2闭合，并且活塞5开始向上运动从而压缩气缸12中的气体和燃料混合物。
在如图2至图15所示的本发明的实施方式中，随着活塞5到达上止点(如图3和图4所示)时，在活塞5的头部的外边缘22与气缸盖壁的顶部的相应边缘之间产生显著的被称为“挤压(squish)”的效应。“挤压”是众所周知的并且是期望现象，其有助于促进有效燃烧，但是挤压现象的使用对于本发明并不是关键的。挤压现象在该发动机中的效果是，在极大程度搅拌的状态下将外部燃料混合物挤压到燃烧室6中。所示布局留出比常规发动机的挤压区域更大的挤压区域，因为活塞和气门运动之间没有冲突。在轴向吸入的实施方式中，以上角动量守恒意味着混合物的速度会在其被压缩至燃烧室6内时在上止点处急剧增大。由于成角度的活塞顶部的影响，在燃烧室6作为位于活塞中的碗状部的情况下挤压区域最大。在本发明的该实施方式中，活塞5的外边缘相对于水平从活塞顶部向下成0°至35°的角度。
以下参照图7，压缩燃料和空气混合物的点火可在燃烧室6的外边缘处的凹部20中进行。当凹部20呈凸角形状时，凹部20被成形为收集浓混合物的旋涡(eddy)，当被点燃时，浓混合物的旋涡提供对火焰前部的良好点燃。由于混合物极大程度的搅拌和运动、结合燃烧室6的紧凑特性、以及发动机以高压缩比和低爆炸风险工作的能力，所以火焰的传播将迅速且有效。发动机以高压缩比和低爆炸风险工作的能力这个因素通过单个提升阀2的工作温度来协助，所述单个提升阀2的工作温度与常规的单独的吸气阀和排气阀相比较低。
如上所述，利用分层进气进行工作的发动机的主要优点是具有以贫混合物运行的能力(稀燃)。这允许在点火点利用能够以过量空气工作的发动机、但利用正确的燃料/空气混合物进行有效的部分负载运行。期望的是，发动机可被开发为以节流阀运行或者以无节流阀状态运行，其中，动力仅由喷射的燃料量(具体地，当使用直接喷射时)连同可变阀门定时一起控制。
本文所述的发动机10的布置允许：在没有来自活塞5的干扰的情况下实现大的提升阀2的阀面积和高升程。这种不干扰允许非常有效的进气和排气循环。在燃烧之后(参见图4)，活塞5在其做功冲程中向下移动。在活塞5到达下止点之前提升阀2开始打开，这可比常规发动机晚，其中常规改动机将对排出流体逸出具有更大的阻碍。这还允许100％对发动机10的燃烧室6扫气。较长的做功冲程还将提高效率。随着气门2打开，压力将传递至进气管道3和排气管道4。该压力将关闭进气管道3上的阀1。随着流体通过提升阀2进入腔室7，流体将遵循其自然路径(进入排气管道4，在自然路径，流体将移动到排气系统8(图8)中，从而产生迅速移动的流体柱。在排出循环的一些阶段，一些空气也可通过排出流体的动量而被吸入排气管道4内。随着活塞5接近上止点(TDC)，流体柱应该完全对气缸进行扫气，并且提升阀2将完全处于燃烧室6内。这使得能够完全对发动机扫气，因为不存在用于任何剩余排出流体的空间。然后，发动机也将在排气冲程结束时和吸气冲程开始时具有最大气门升程。这促进了良好的排气(exhaust)流动，并且由于排气管道4中的排出流体的动量的影响，进气管道3和排气管道4之间的连接早期有助于加速进气。
通过排气管道4的流体的动量将开始在腔室7中产生负压，从而使进气簧片阀1打开，并抽吸空气以用于下一个进气冲程(inlet stroke)。在活塞5已经逆转方向以开始进气冲程时，跟随自然路径进入腔室7的进入流体将已经存在动量；并且在活塞5开始其向下的吸入冲程之前，在活塞处于上止点周围时，排出流体的流动可能引起在排出流体流后面将进入流体柱抽吸到排气管道4。对于由在上述循环开始时所描述的活塞5的向下运动引起的流体流动，该流体流量是附加的。
图8示出当排气装置长度和/或形状和/或直径被调整成发动机的操作速度时排气管道4内的压力波的影响。随着气门2在吸气行程结束时开始闭合，可从排气管道8的开口端反射正压力波，或者通过压力反射腔室、共振腔室和如本领域中所理解的更典型地用于2冲程摩托车的这类装置(未示出)来反射正压力波。负压力波和/或正压力波的这种反射会导致可能已经被向上抽吸到排气管道4的进入气体或流体沿排气管道向下反射回去，并被迫返回气缸内(参见箭头50)，从而为具体进气提供改进的气缸填充。在排气管道4中使用压力波意味着排气管道4可能不需要设置有任何物理阀或其他限制装置，并且排气管道4可被调整成利用排气压力波来协助进气填充和排出扫气。
优选地，排气管道4中的排出流体的流动中的动态能量被发动机1利用，以在活塞5接近其冲程的顶部时使进入空气或流体加速，并且排出流体的这种加速有助于在气缸12中产生负压，这有助于通过发动机1的全部或部分吸气冲程以进入空气或流体填充气缸12。
排气管道4还可调节成利用排出流体动力中的动态能量(动能)，并且使用排出流体中的压力波。这可能影响进入气体或流体的动力和流动。利用排出流体中的动态能量以及使用排出流体中的压力波可有助于以来自排气的反射负压力波来对气缸12进行扫气(scavenging)。利用该能量还可协助使用来自排出流体的反射正压力波进行气缸12的后续填充(在先前扫气之后)。负压增强的气缸扫气和正压增强的气缸填充可是独立的事件，或者可联系在一起。
可以以与上述方式相同的方式来重复进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程的循环。
在如图9和图10中所示的发动机的替代实施方式中，随着活塞5沿气缸12向上移动，在气缸12内由流体的轴向吸入引起的旋涡的速度将倾向于增大。对混合物的离心力将倾向于朝向气缸12的边缘推动更稠密的燃料颗粒。其有益效果在于：使填充物分层，其中，使具有更稠密或更充裕的液体燃料和空气混合物的进气被迫朝向气缸12的外部(即火花塞9所在之处)运动。
图9和图10示出进气管道和排气管道的替代布置。在该实施方式中，管道3和管道4切向地进入腔室7，从而围绕气缸的中心线的轴线产生旋涡。在其他方面，发动机以与上述方式相同的方式工作。
图11和图12示出具有环绕式(circular)燃烧室6的发动机10的不同视图。在本发明的该替代实施方式中，燃烧室6形成于气缸盖12中的凹部与活塞5的平坦或略微凹陷的顶表面之间。从活塞5的顶部向上看(在箭头C的方向上)(图12)，燃烧室6的形状可是圆形的，并且具有比提升阀2更大的直径，并且具有与气缸12的直径相等或比其小的直径。从侧视图(图11)看，燃烧室6的壁可在燃烧室6的基础部处从较大直径31到阀座的较小直径32倾斜或弯曲。当燃烧室6形成有比气缸12的直径小的直径32时，可在活塞顶部与燃烧室凹部的该较小直径之间形成环形挤压区域22。
图13、图14和图15示出具有大体为椭圆形的燃烧室6的发动机10的另一实施方式的不同视图。在本发明的该实施方式中，燃烧室6形成于气缸盖中的凹部与活塞5的平坦或略微凹陷的顶表面之间。从活塞顶部向上看(在箭头D的方向上)(图14)，气缸盖中的凹部可为大致椭圆形或长形(oblong)的形状。椭圆形或长形轮廓的长度可与气缸孔的直径相同或略小于气缸孔的直径。椭圆形或长形的宽度可与提升阀2的阀头16的直径相同或略大于该直径。腔室6的较长壁可为竖直的，并且较窄的壁34可以以一定角度向上倾斜，从而与提升阀座16接触。燃烧室的这种形状在活塞5的顶部与邻近燃烧室6的窄侧的气缸盖之间留出挤压区域22。
相对于现有技术，本文所述的实施方式在至少以下方面具有显著的有益效果。
发动机10与4冲程汽油发动机或柴油发动机兼容，其中，发动机10可克服通过由高压缩比导致的气门/活塞间隙限制引起的一些呼吸问题。发动机10具体适合于燃烧气态燃料，诸如丙烷、甲烷和氢气，因为发动机10可令容积效率和高压缩比良好结合。另外，本发明的各方面可适于不以4冲程循环操作的其它发动机(例如2冲程或6冲程发动机)。
该发动机布局允许长时间的高气门升程结合大的气门面积，这允许实现良好的容积效率(即呼吸)。
在上止点处气门完全打开的效果使得能够通过由排出流动产生的负压而实现吸入发动机中的进入流体的早期流动。这在活塞开始其泵送冲程之前产生进入流体动量，从而辅助气缸填充，进而提高容积效率并减少泵送损失。
通过流体显著的挤压(squish)和翻转或螺旋运动辅助的紧凑型燃烧室6允许实现迅速、清洁和完全的燃烧。
吸入排气管道4中的空气柱允许谐振波调谐到排气管道的谐振频率(如在二冲程摩托车发动机中所使用)，以改善流动特性和容积效率。另外，就多气缸版本的发动机而言，如本领域已知的那样，可通过连接排气管道和使用一个循环的排气压力来实现自超级进气的有效程度，从而迫使相邻排气端口中的残余空气随着气门闭合而返回到气缸中。
越过提升阀2流动的冷的进入流体将降低气门温度，从而提高发动机的爆震阈值。该特征允许发动机在较高的压缩比下或者在较差的燃料质量下安全地工作。
上述设计允许自由呼吸的长冲程发动机结合良好的动力和扭矩。传统的长冲程发动机因其由于有限的阀面积无法以高转速高效地呼吸而受到限制。
上述布置易于构造，并且具有比常规发动机更少的活动部件，并且应该适用于任何现有的曲轴箱/气缸体。上述布置还为具有不同类型的歧管进气管道和排气管道阀门的更复杂的设计留出了空间。在所有附图所示的发动机的优选结构中，提升阀在与气缸孔相同的垂直中心线上的位置允许使用将气缸体和气缸盖组合的单个部件来容易地制造发动机，这在本领域中通常被称为整体式结构，并且针对提升阀孔和气缸该发动机可在生产中使用单个钻孔和镗孔(boring)工艺来进行机械加工。
由于该设计的固有加速力和减速力较小以及因为该发动机具有较少的活动部件，所以气门机构中的摩擦将减小，从而提高机械效率并增强耐久性。
上述发动机主要涉及针对经济和排放效益的发动机设计。然而，效率和由此产生的高比功率输出可为运动发动机和赛车发动机提供发动机的益处。
在本说明书(包括所有所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤均可以以任何组合进行结合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤是相互排斥的情况。
除非另外明确说明，否则本说明书(包括所有所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征均可由用于相同、等同或相似目的的替代特征来替换。因此，除非另外明确说明，否则所公开的每个特征均仅为等同或类似特征的一般系列的一个示例。
本发明不限于前述一个或多个实施方式的细节。本发明扩展至本说明书(包括所有所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任一新颖的特征或任意新颖的组合，或者扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任一新颖的步骤或任意新颖的组合。

Claims (29)

1.内燃发动机，包括至少一个气缸、气缸盖和燃烧室，其中，所述气缸具有活塞，所述气缸盖包括进气管道、排气管道和至少一个腔室气门，所述进气管道包括进气阀从而仅允许在一个方向上流过所述进气管道，所述排气管道不包括流动限制机构或区域，进入流体和排出流体经由所述进气管道和所述排气管道通过所述至少一个腔室气门进入和流出所述气缸，所述燃烧室处于所述气缸中使得允许所述腔室气门在所述活塞处于上止点时显著打开，从而使得流体、流体流动压力和压力波能够在所述气缸、所述进气管道和所述排气管道之间传递。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，当所述活塞接近其冲程的顶部时，所述排气管道调谐成令所述进入流体加速并且在所述气缸中产生负压，从而通过利用排出流体的流动中的能量、经由至少部分所述吸气冲程来协助用所述进入流体填充所述气缸。
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述排气管道调谐成利用所述排出流动中的能量和压力波来影响所述进入流体的动力和/或流动，从而利用来自排出流动的反射负压波来协助对所述气缸扫气。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述排气管道调谐成利用排出流动中的能量和压力波来影响所述进入流体的动力和/或流动，从而利用反射的正压力波来协助填充所述气缸。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的内燃发动机，其中，通过调节所述排气管道的长度和/或形状和/或直径来对所述排气管道进行调谐。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，还包括将所述进气管道与所述排气管道分隔开的壁，所述壁在第一方向上将流体引导至所述气缸中，并在第二方向上将流体引导出所述气缸，其中，所述第一方向和所述第二方向为不同的方向。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述燃烧室成形为允许所述腔室气门在所述活塞处于上止点时显著打开，从而大致令所有剩余的气缸空间和燃烧室空间置于所述阀头的下表面之上。
8.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中，所述壁是大致竖直的壁，所述壁将所述进气管道与所述排气管道分隔开并且位于所述腔室的阀座正上方。
9.根据权利要求8所述的内燃发动机，其中，所述壁集中于腔室气门垂直轴线布置或相对于所述腔室气门竖直轴线布置。
10.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，所述壁基本上位于所述腔室气门竖直轴线的一侧。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述腔室气门的阀头的宽度大于所述气缸的宽度的20％。
12.根据权利要求11所述的内燃发动机，其中，所述腔室气门的阀头的宽度在所述气缸宽度的25％和75％之间。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述进气管道和所述排气管道中的一者或二者与所述气缸的侧壁的纵向轴线成角度地进入所述气缸。
14.根据权利要求13所述的内燃发动机，其中，所述进气管道和/或所述排气管道相对于所述气缸的纵向轴线成0.5度和45度之间的倾斜度地进入所述气缸。
15.根据权利要求1至12中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述进气管道和/或所述排气管道与所述气缸的侧壁大致相切地进入所述气缸。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其中，每个气缸均具有单个腔室气门。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述进气管道和所述排气管道在所述气门的上游进入所述气缸。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其中当所述腔室气门打开时，所述进气管道和/或所述排气管道进入所述气缸的辅助腔室。
19.根据权利要求18所述的内燃发动机，其中，所述腔室气门位于所述气缸的辅助腔室与所述气缸的主腔室之间。
20.根据权利要求18或19所述的内燃发动机，其中，所述腔室气门具有阀座，所述阀座形成所述辅助腔室与所述主腔室之间的边界。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述腔室气门是提升阀。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，所述腔室气门、所述活塞和所述气缸具有公共的中心线。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，包括位于气缸盖中的、具有环形挤压区域的紧凑环绕式部分圆锥形燃烧室。
24.根据权利要求1至23中的任一项所述的内燃发动机，具有长形或椭圆形的燃烧室，在所述燃烧室的相对侧上具有两个D形或月牙形挤压区域。
25.根据权利要求1至23中的任一项所述的内燃发动机，其中，所述燃烧室大致是位于所述活塞中的具有环形挤压区域的圆柱形凹陷部，所述环形挤压区域能够具有在零度与三十度之间的倾斜度。
26.根据权利要求25所述的内燃发动机，其中，所述凹陷部还包括至少一个向外延伸的凸角，其中，所述凸角在使用中导致在围绕所述凹陷部流动的流体中形成旋涡。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的内燃发动机，利用组合所述气缸体和所述气缸盖的单个部件来制造。
28.一种使内燃发动机吸气的方法，包括大致以相对于所述气缸的侧壁的纵向轴线的一角度将流体引导到所述发动机的气缸中。
29.一种使内燃发动机吸气的方法，包括将流体引导至所述发动机的气缸中，其中，所述流体与所述气缸的侧壁大致相切地进入所述气缸。
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