CN107975430A - 具有可旋转进气端口的发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可旋转进气端口的发动机系统。提供发动机系统。发动机系统包括可旋转进气端口，其周向地围绕联接到气缸的进气门的杆的至少一部分，该可旋转进气端口具有第一弯曲节段，该第一弯曲节段朝向可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸，或者从可旋转进气端口的旋转轴线向外延伸。发动机系统还包括联接到可旋转进气端口的进气端口致动器，该进气端口致动器被配置成基于发动机工况使可旋转进气端口围绕旋转轴线旋转。

Description

具有可旋转进气端口的发动机系统
技术领域
本发明涉及具有可旋转进气端口的发动机系统。
背景技术
在内燃发动机的气缸中，诸如效率、点火和爆震的燃烧特性受进气气流模式的影响。滚转和涡流模式特征为气缸中湍流的不同方面。滚转比(tumble ratio)和涡流比(swirl ratio)是用于量化这些流动模式的术语。滚转比被定义为气缸内进气气体的水平再循环的强度，而涡流比被定义为气缸中垂直再循环的强度。滚转和涡流模式对燃烧的各个方面(例如，点火、爆震、效率、排放、功率等)具有不同的影响。在先前的发动机中，进气端口被设计成提供设定的滚转和涡流流动模式。因此，当发动机针对设定的流动模式在理想工况之外运行时，燃烧气流中的设定模式可负面地影响燃烧。已经尝试在具有延伸到进气管道中的可旋转流动板的发动机系统中动态地调整用于不同工况的滚转和涡流流动模式。然而，这种类型的系统仅少量地改变气流模式，并且在某些工况期间不能使得在气缸内产生期望量的涡流和滚转。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一些，提供了一种发动机系统。发动机系统包括可旋转进气端口，其周向地围绕(circumferentially surrounding)联接到气缸的进气门的杆的至少一部分，该可旋转进气端口具有第一弯曲节段，该第一弯曲节段朝向可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸，或者从可旋转进气端口的旋转轴线向外延伸。发动机系统还包括联接到可旋转进气端口的进气端口致动器，该进气端口致动器被配置成基于发动机工况使可旋转进气端口围绕旋转轴线旋转。可调整进气端口的弯曲轮廓被设计成在宽范围的工况下改变进入气缸的空气的湍流，以提高燃烧效率、减少爆震、增加功率和/或减少排放。因此，如果需要，弯曲的进气端口节段可旋转以在进气门头部周围的气流中产生强烈的不平衡，以在气缸中提供最适合当前工况的期望水平的湍流。
当单独地或结合附图时根据下面的具体实施方式，本说明书的上述优点和其他优点以及特征将变得显而易见。
应当理解，提供上述发明内容以便以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的所选概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上面或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了发动机的图示；
图2示出了图1中所示的发动机的一部分的示例性图示，其包括具有处于第一位置的可旋转进气端口的发动机系统；
图3是图2所示的可旋转进气端口的详细图示；
图4和图5示出了图2所示的气缸中的示例性涡流和滚转流动模式的图示；
图6示出了图2所示的发动机系统的示例性图示，其中可旋转进气端口处于增加气缸中的滚转的第二位置；
图7是图6所示的可旋转进气端口的详细图示；
图8示出了图2所示的发动机系统的示例性图示，其中可旋转进气端口处于增加气缸中的涡流的第三位置；
图9是图8所示的可旋转进气端口的详细图示；
图10示出了图2所示的发动机系统的示例性图示，其中可旋转进气端口处于改变气缸中的涡流的方向的第四位置；
图11是图10所示的可旋转进气端口的详细图示；
图12示出了用于发动机系统的操作的方法；以及
图13-14示出了可旋转进气端口的附加的示例性配置。
尽管已经考虑了替代尺寸，但是图2-11和图13-14大致按比例绘制。
具体实施方式
本文描述了一种发动机系统，其被配置成动态地调整进气端口和气缸流动特性，诸如进气气流的滚转和涡流比。发动机系统包括可旋转进气端口，其被配置成基于发动机工况调整进入气缸的进气气流的湍流。这可通过用一对弯曲节段来使进气端口成形来实现，所述弯曲节段将更大量的气流引导到进气门头部的选择部分，以产生滚转和/或涡流流动。在一个示例中，弯曲节段可朝向和远离进气端口的旋转轴线延伸，并且可定位在进气端口的相对侧面上。以这种方式布置弯曲节段使得当进气端口旋转到选择位置时，在进气气流中能够产生增加量的滚转和/或涡流。这些流动模式是由进气门周围的气流速率的不平衡引起的，该不平衡由弯曲的进气端口节段引起。以这种方式，基于发动机中的变化条件可调整进入气缸的空气的湍流，以提高燃烧效率，减少爆震，增加功率和/或减少排放。因此，可旋转进气端口能够实现最佳地满足当前工况的气缸湍流调整，以提高燃烧效率和/或减少排放。
在一个示例中，可旋转进气端口是整个节段，其形成端口的完整的圆柱形部分，该节段围绕平行于该端口但具有偏移的轴线或正弦壁和/或偏移轴线旋转，使得当该部分旋转时，突出到中心轴线并远离中心轴线延伸的壁围绕旋转轴线移动，使得它们在不同的方向上引导流动，诸如朝向燃烧室的一个侧面和另一个侧面(在第一位置和第二位置180度旋转分开)，以及朝向燃烧室的前部和后部(在第三位置和第四位置180度旋转分开，但是从第一位置和第二位置偏移90度)，在端口处于室的一个侧面(左/右)上但居中(前/后)的情况下，诸如图2中每个气缸两个气门的情况下。另选地，端口可左右偏移，并且从前到后偏移，诸如，其中，利用每个气缸四个气门。在一个示例中，即使当端口旋转整个360度时，该节段的内表面在端口上游圆形边缘和其下游圆形边缘处都平滑地过渡到端口的其余部分。在一个示例中，内表面可被称为具有其从中心轴线的中段偏移但是其上端和下端不从中心轴线偏移的改进的圆柱体，即使在圆柱体的每个横截面仍然是相同的形状，诸如圆圈。
图1示出了例如用于向交通工具提供动力的发动机10的示意图。在所示的示例中，发动机10包括联接到气缸体14的气缸盖12，从而形成气缸16。发动机10被配置成在气缸16中实现燃烧操作。在发动机10中设置有进气门18，从而以选择的时间间隔使进气流入气缸16。对应地，排气门20设置在发动机10中，从而以选择的时间间隔使排气从气缸中流出至下游排气系统中。
箭头22表示从上游进气系统部件(诸如进气管道、进气歧管、节气门、压缩机等)到进气门18的进气流。另一方面，箭头24表示从排气门20到下游部件(诸如排气管道、排气歧管、(一个或多个)排放控制装置、涡轮机等)的排气流。
燃料递送系统26也设置在发动机10中。燃料递送系统26被配置成以期望的时间间隔在气缸16中提供用于燃烧的燃料。燃料递送系统26包括在所示示例中的直接喷射器28和上游部件30。诸如燃料泵、气门、管道等的上游部件30被配置成向燃料喷射器28提供燃料。然而，被配置成将燃料递送到气缸上游的管道中的进气道喷射器可附加地或替代地包括在燃料递送系统26中。发动机10被配置成在发动机中实现四冲程燃烧循环。燃烧冲程包括本文更详细地描述的进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。
也可在发动机10中设置点火装置(未图示)。点火装置可被配置成以选择的时间间隔向气缸16提供火花。然而，在其他示例中，可从发动机省略点火装置，并且发动机可被配置成执行压缩点火。
发动机10还包括被配置为调整气缸16中的进气中的湍流的发动机系统50。具体地，发动机系统50被配置成基于发动机工况来调整气缸16中的进气气流中的滚转和涡流流动模式。调整气缸中的湍流使得能够在较大范围的发动机工况下改善燃烧。特别地，当基于发动机工况来调整气缸中的滚转和涡流流动模式时，可增加燃烧效率，同时减少排放和爆震。本文参考图2-11更详细地描述发动机系统50。
控制器100在图1中被示为微型计算机，其包括微处理器单元(CPU)102，输入/输出端口(I/O)104，在该特定示例中被示为只读存储器芯片(ROM)106的用于可执行程序和校准值的电子存储介质，随机存取存储器(RAM)108，保活存储器(KAM)110和数据总线。控制器100可从联接到发动机10的传感器接收各种信号。例如，控制器100可接收来自质量空气流量传感器120的引入的质量空气流量(MAF)的测量值；来自温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自霍尔效应传感器或联接到曲轴的其他类型的表面点火感测信号(PIP)；来自联接到由操作者132致动的踏板130的节气门位置传感器134的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。通过控制器110可从信号PIP产生发动机速度信号RPM。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用来提供进气歧管中的真空或压力的指示。需注意，上述传感器的各种组合可被使用，诸如有MAF传感器而没有MAP传感器，或者反之亦然。在化学计量操作期间，MAP传感器可给出发动机扭矩的指示。此外，该传感器与所检测的发动机速度一起可提供引入气缸的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，发动机速度传感器可在曲轴的每个旋转产生预定数量的等距脉冲。
控制器100可包括在控制系统中，该控制系统被配置成从发动机中的传感器接收传感器信号并且向发动机中的各种致动器发送命令。此外，控制器100可被配置成实现本文描述的方法和其他发动机控制技术，诸如图12所示的方法。具体地，控制器100可被配置成命令对包括在发动机系统50中的可旋转进气端口进行调整，这在本文中更详细地描述。
尽管发动机10被描绘为仅具有单个气缸，但是在其他示例中，发动机10可包括多于一个气缸，其中每个气缸具有对应的发动机系统，该发动机系统包括与在本文参考参考图2-11更详细地讨论的可旋转进气端口类似的可旋转进气端口。控制器100可被配置成在某些工况期间独立地调整可旋转进气端口中的每一个，并且在其他工况期间可被配置成同步地调整可旋转进气端口中的每一个。
图2示出了包括发动机系统50以及气缸体14、气缸盖12和气缸16的发动机10的一部分的示例性图示。活塞200设置在气缸16中。应当理解，活塞200可旋转地联接到曲轴。
发动机10包括可旋转进气端口204上游的进气通道202。应当理解，进气通道202从诸如进气口、空气过滤器、节气门、压缩机、歧管等的上游部件接收进气。在所示的示例中，在进气通道202和可旋转进气端口204的交汇处，进气通道202的后缘203与可旋转进气端口204的前缘207齐平。然而，已经考虑了其他端口和管道轮廓。
进气门18延伸穿过可旋转进气端口204。进气门18在图2中处于打开位置，其中进气从进气端口204流入气缸16。因此，图2示出了燃烧循环中的进气冲程。然而，当进气门18处于关闭位置时，气门座置(seat)并密封在气缸盖12中的气门座205上，以防止气流进入气缸16。具体地，进气门18包括杆206和头部208，头部208被配置成在关闭配置中座置并密封气门座205。
排气通道210和排气门20也包括在图2所示的发动机10的节段中。排气门20处于关闭位置，其中排气门20座置并密封在气缸盖12的一部分(例如，排气门座)上。然而，如果需要，在进气冲程的一部分期间，可打开排气门20。
进气门18和排气门20可经由凸轮轴或电子致动器致动。图2示出了在燃烧循环中的进气冲程期间的发动机。一般来讲，在进气冲程期间，排气门20关闭，并且进气门18打开。空气经由可旋转进气端口204被引入气缸16中，并且活塞200移动到气缸16的底部以增加气缸内的体积。活塞200在气缸的底部附近并且在其冲程结束时的位置(例如，当燃烧室16在其最大体积时)通常被本领域技术人员称为下止点(BDC)。在压缩冲程期间，进气门18和排气门20被关闭。活塞200朝气缸盖移动，以压缩燃烧室16内的空气。活塞200在其冲程结束时且最靠近气缸盖的点(例如，当燃烧室16在其最小体积时)通常被本领域技术人员称为上止点(TDC)。在下文被称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室。在下文被称为点火的过程中，喷射的燃料被诸如火花塞92的已知的点火装置或经由压缩点燃，导致燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀气体推动活塞200回到BDC。最终，在排气冲程期间，排气门20打开以将燃烧的空气燃料混合物释放到排气系统，并且活塞返回到TDC。需注意，上面仅仅作为示例被示出，并且进气门和排气门打开和/或关闭正时可改变，以便提供正的或负的气门重叠、晚进气门关闭或各种其他示例。
发动机系统50包括在进气管道202的下游的可旋转进气端口204。可旋转进气端口204包括第一弯曲节段220和第二弯曲节段222。在所示示例中，第一弯曲节段220和第二弯曲节段222定位在可旋转进气端口204的相对侧面上。然而，在其他示例中，可使用弯曲节段的其他相对位置。另外，第一弯曲节段220朝向可旋转进气端口204的旋转轴线224向内延伸。相反地，第二弯曲节段222从可旋转进气端口204的旋转轴线224向外延伸。然而，在其他示例中，可旋转进气端口可具有单个向内弯曲的节段或单个向外弯曲的节段。在一个示例中，当可旋转进气端口仅包括单个弯曲节段时，弯曲节段的可旋转进气端口相对侧面的节段可具有沿着侧面的轴向长度的基本上恒定的半径。具有单个弯曲节段的可旋转进气端口的实施例在图13和图14中示出，并且在本文更详细地讨论。在所示出的示例中，弯曲节段220和222连续地弯曲并且形成朝向或远离进气门杆206突出的弧。另选地，弯曲节段可具有阶梯式的轮廓。
可旋转进气端口204中的弯曲节段(220和222)使得通过可旋转进气端口204能够产生期望的滚转和涡流模式。可旋转进气端口204的角度旋转指示通过进气门18进入气缸16的进气中的滚转流动模式和/或涡流流动模式的强度。也就是说，可旋转进气端口204中的弯曲节段基于可旋转进气端口204的角度取向引起头部208的不同部分周围的不平衡。
发动机系统50还包括进气端口致动器230，该进气端口致动器230被配置成使可旋转进气端口204围绕旋转轴线224旋转。进气端口致动器230可包括由旋转电致动器控制的较小齿轮。小齿轮上的齿可与可旋转进气端口204的外表面上的齿接合。当较小的齿轮旋转时，可旋转进气端口也可旋转，但是在垂直平面上具有不同旋转速度旋转，该不同旋转速度由较小齿轮和可旋转进气端口之间的齿数比确定。然而，已经考虑了其他合适的致动机构。进气端口致动器230可接收来自图1所示的控制器100的控制信号。控制信号可基于发动机工况命令进气端口致动器230将可旋转进气端口204旋转成不同的径向取向。在一个示例中，工况可包括发动机功率、负载、空气/燃料比、温度，发动机速度和排气组成中的一个或多个。在本文更详细地讨论触发可旋转进气端口204的取向的调整的具体条件。
如图所示，可旋转进气端口204的旋转轴线224以角度234与进气门18的中心轴线232相交。在所示的示例中，角度234是非直的并且小于90°。具体地，角度234可在30度至60度之间的范围内。进气端口以该角度的布置使气缸气流的涡流和滚转能够以所需的方式进行调整。然而，已经考虑到可旋转进气端口和进气门的其他相对位置。此外，旋转轴线224可在进气端口的中心点处与进气端口的中心轴线对准，可旋转进气端口沿着并且围绕旋转轴线224进行定位。此外，旋转轴线224可与穿过端口的中心流动轴线对准。
在图2所示的布置中，可旋转进气端口204处于第一位置。第一位置对应于可旋转进气端口204的角度取向。在第一位置，可旋转进气端口204被布置成使得第二弯曲节段222比第一弯曲节段220更靠近排气门20。具体地，在一个示例中，当可旋转进气端口204处于第一位置时，第一弯曲节段220可相对于旋转取向和垂直轴线处于最低位置。此外，在这种示例中，第二弯曲节段222可相对于旋转取向和垂直轴线处于最高位置。
箭头236描绘了通过可旋转进气端口204的进气气流的总体方向。箭头238示出了经过进气门18并且在气缸16中的进气气流的总体方向。应当理解，如图2所示，进气门头部208的不同节段周围的气流速率之间的差异可比图6、图8和图10所示的可旋转进气端口204的其他取向改变较小的量。如图2所示的气流模式的情况，当气流速率不是高度发散时，只可产生少量的滚转和涡流。
图3示出了处于第一位置的可旋转进气端口204的详细视图。包括在可旋转进气端口204中的第一弯曲节段220和第二弯曲节段222在图3中示出。旋转轴线224也被提供，以供参考。描绘了可旋转进气端口204的不同侧面S1、S2、S3和S4，使得能够清楚地辨别出可旋转进气端口204的取向。如图所示，第一弯曲节段220在侧面S1上，并且第二弯曲节段222位于相对侧面S3上。此外，第一弯曲节段220和第二弯曲节段222中的每一个都类似地弯曲。也就是说，第一弯曲节段220的弯曲度等于第二弯曲节段222的弯曲度。每个弯曲度被定义为从每个相应的弯曲节段的圆弧的端部302测量的中心角度300。然而，在其他示例中，第一弯曲节段和第二弯曲节段可具有不同的弯曲度。例如，第一弯曲节段220可具有比第二弯曲节段222更大的弯曲度，或者反之亦然。
应当理解，侧面S2和S4沿着它们的长度不向内或向外弯曲。具体地，侧面S2和S4可具有沿着它们的长度从旋转轴线224测量的恒定的半径。以这种方式，侧面S2和S4对滚转和涡流进气气流模式没有大的影响。另一方面，侧面S1和S3沿其长度的半径变化，以提供第一弯曲节段220和第二弯曲节段222的湍流引起的轮廓。
图3还示出了各种半径，以进一步描述可旋转进气端口204的几何特征。如图所示，可旋转进气端口204的上游端304包括第一半径R1。可旋转进气端口204的下游端306包括第二半径R2。此外，可旋转进气端口204的中间节段308包括与第二侧面S2和第四侧面S4匹配(align)的第三半径R3，以及与第一侧面S1和第三侧面S3匹配的第四半径R4。
上游端304和下游端306都具有恒定的半径。也就是说，上游端304和下游端306具有圆形的径向横截面。然而，在其他示例中，上游端和/或下游端可具有非圆形横截面轮廓，例如，诸如椭圆形横截面轮廓。
在图3所示的实施例中，第一半径R1基本上等于第二半径R2。然而，在其他示例中，第一半径R1可大于第二半径R2，或者反之亦然。
此外，第三半径R3和第四半径R4不相等。具体地，第三半径R3可大于第四半径R4，或者反之亦然。此外，在一些示例中，第三半径R3可小于或大于第一半径R1和第二半径R2。然而，在其他示例中，第三半径R3可等于第一半径R1和第二半径R2。此外，第四半径R4可大于或小于第一半径R1和第二半径R2。然而，在其他示例中，第四半径R4可等于第一半径R1和第二半径R2。应当理解，这些不同的配置可使进气端口能够产生不同量的涡流和/或滚转气流。
当第三半径R3或第四半径R4大于第一半径R1和第二半径R2时，中间节段308的径向横截面的面积可大于上游端304和下游端306的径向横截面的面积。然而，在其他示例中，中间节段308的径向横截面的面积可小于上游端304和/或下游端306的径向横截面的面积。
此外，中间节段308从上游端304和下游端306轴向偏移。以这种方式布置中间节段使得进气端口的不同侧面的弧线/弯曲(curvature)能够对应地弯曲。
应当理解，具有一个或多个弯曲节段的可旋转进气端口204使得能够在进入气缸的气流中产生大量的滚转和/或涡流。与先前的进气系统中提供的小的流导向器相反，由于整个管道涉及产生滚转和涡流气流模式，由可旋转进气端口204产生的滚转和/或涡流的量大于先前的滚转产生装置。
图4和图5示出了具有示例性旋流和滚转流动模式的气缸16，提供了流动模式的视觉参考。图2所示的气缸盖12和气缸体14形成图4-5中所示的气缸16。应当理解，在气缸中产生的实际气流模式可能比图4和图5中所示的模式具有更大的复杂性。例如，气缸中的气流可表现出涡流和滚转特性。因此，图4和图5中所示的模式示出了建模的涡流和滚转流动模式，以供参考。
具体地，图4示出了具有涡流型气流模式的气缸16的示例描绘。箭头400描绘了气缸16中气流的总体方向。定义为垂直再循环强度的涡流比可用于量化这种类型的气流模式。提供空气围绕其循环的垂直轴线402，以供参考。图4中的涡流方向是顺时针方向。然而，在其他示例中，涡流方向可以是逆时针方向。可期望在发动机冷启动和空转条件期间在气缸16中产生涡流，以减少(防止)对气缸壁的燃料喷射冲击。
图5示出了具有滚转型气流模式的气缸16的图示。箭头500描绘了气缸16中气流的总体方向。定义为水平再循环强度的滚转比可用于量化这种类型的气流模式。提供空气围绕其循环的水平轴线502，以供参考。可希望在发动机在高(例如峰值)功率和高负载条件下操作期间，在气缸16中产生滚转。在发动机轻负载条件到中等负载条件下，需要涡流和滚转流动，用于改善的(例如，最佳的)气缸中的空气/燃料运动。图6、图8和图10示出了在不同位置中的发动机系统50中的可旋转进气端口204，所述不同位置被配置成与可旋转进气端口204的第一位置(图2所示的位置)相比产生增加量的涡流和/或滚转。图6、图8和图10中的流动改变表面位置旋转远离图2所示的第一位置，以调整气流的涡流和滚转比以改善燃烧操作。
图6示出了发动机10和具有处于第二位置的可旋转进气端口204的发动机系统50。第二位置与围绕旋转轴线224的角度取向相关联，该角度取向不同于本文所述的其他进气端口位置的角度取向。在例示性示例中，可旋转进气端口224被取向成使得第一弯曲节段220被定位成比第二弯曲节段222更靠近排气门20。应当理解，排气门头部600可用作排气门20上的参考点，以进行该比较。然而，在其他示例中，排气门20的中心轴线235上的点可用作参考点，用于这样的比较。在一个示例中，在第二位置，可旋转进气端口204与图2所示的可旋转进气端口204的第一位置成角度地分开180°。箭头602示出了通过进气门18进入气缸16的气流的一般模式。在第二位置，可旋转进气端口204在进入气缸16的空气中产生气流模式，其具有比图2所示的第一位置中的可旋转进气端口204产生的气流模式的滚转比更大的滚转比。因此，将可旋转进气端口204从第一位置旋转到第二位置增加了进入气缸16的气流的滚转比。在一个示例中，当发动机速度超过表示高速或负载条件的阈值时，可旋转进气端口204可旋转到第二位置中。对应地，当发动机速度下降到上述发动机速度阈值以下时，可旋转进气端口204可旋转到第一位置中。进气通道202、排气通道210、进气端口致动器230、气缸体14、气缸盖12和活塞200也在图6中示出，以供参考。
图7示出了处于第二位置的可旋转进气端口204的详细视图。包括在可旋转进气端口204中的第一弯曲节段220和第二弯曲节段222在图7中示出。可旋转进气端口204的旋转轴线224和不同侧面S1、S2、S3和S4被描绘为能够清楚地辨别可旋转进气端口204的第二位置的取向。如图所示，第一弯曲节段220在侧面S1上，并且第二弯曲节段222位于相对侧面S3上。应当理解，图7所示的可旋转进气端口204的第二位置已经从图3所示的可旋转进气端口204的第一位置旋转180°。
图8示出了发动机10和具有处于第三位置的可旋转进气端口204的发动机系统50。在例示性示例中，可旋转进气端口204相对于图2所示的可旋转进气端口204的第一位置在顺时针方向上成角度地分开90°。箭头800示出了通过进气门18进入气缸16的气流的一般模式。在第三位置，可旋转进气端口204在进入气缸16的空气中产生气流模式，其具有比第一位置或第二位置中的可旋转进气端口204产生的气流模式的涡流比更大的涡流比。因此，将可旋转进气端口204从第一位置或第二位置旋转到第三位置增加了进入气缸16的气流的涡流比。此外，在第三位置，可旋转进气端口204产生气流，其具有比由第一位置或第二位置中的可旋转进气端口204产生的气流模式的滚转比更小的滚转比。这样，将可旋转进气端口204从第一位置或第二位置旋转到第三位置减小了进入气缸16的气流的滚转比。进气通道202、排气通道210、气缸体14、气缸盖12和活塞200也在图8中示出，以供参考。
图9示出了处于第三位置的可旋转进气端口204的详细视图。包括在可旋转进气端口204中的第一弯曲节段220和第二弯曲节段222在图9中示出。旋转轴线224和侧面S1、S2、S3和S4也被提供，以供参考。第一弯曲节段220在侧面S1上，并且第二弯曲节段222位于相对侧面S3上。在第三位置，可旋转进气端口224可被取向成使得第一弯曲节段220和第二弯曲节段222与图8所示的排气门20基本上等距。以这种方式布置弯曲节段使得能够实现气缸气流中涡流比的增加和滚转比的降低。
图10示出了发动机10和具有处于第四位置的可旋转进气端口204的发动机系统50。在例示性示例中，可旋转进气端口204相对于图2所示的可旋转进气端口204的第一位置在逆时针方向上旋转90°。箭头1000示出了通过进气门18进入气缸16的气流的一般模式。在第四位置，可旋转进气端口204在进入气缸16的空气中产生气流模式，其类似于在第三位置的可旋转进气端口204产生的气流模式。因此，当可旋转进气端口204从第一位置或第二位置旋转到第四位置时，气流的涡流比增加，并且气流的滚转比减小。然而，在第四位置，可旋转进气端口204在进入气缸16的空气中产生气流模式，其具有与在可旋转进气端口处于第三位置时进入气缸的空气中的气流模式中的涡流方向相反的涡流方向。具体地，由第四位置的可旋转进气端口204产生的涡流模式的总体方向是顺时针方向，而由第三位置中的可旋转进气端口204产生的涡流模式的总体方向是逆时针方向。
在一个示例中，当发动机低于指示冷启动的阈值温度和/或指示空转条件的速度时，可旋转进气端口204可旋转到第三位置或第四位置。进气通道202、排气通道210、进气端口致动器230、气缸体14、气缸盖12和活塞200也在图10中示出，以供参考。
图11示出了处于第四位置的可旋转进气端口204的详细视图。包括在可旋转进气端口204中的第一弯曲节段220和第二弯曲节段222在图11中示出。旋转轴线224和侧面S1、S2、S3和S4也被提供，以供参考。在第四位置，可旋转进气端口224也可被取向成使得第一弯曲节段220和第二弯曲节段222与图10所示的排气门20基本上等距。
图2、图6、图8和图10所示的不同的进气端口取向使得能够独立地调整涡流和滚转气流模式以实现期望的滚转比和涡流比。因此，可细微地调谐进入气缸并在气缸内的空气中的气流模式，以实现改进的燃烧效率和/或减少的排放。此外，可旋转进气端口204可从任何取向在顺时针或逆时针方向上旋转成附加的取向，诸如45°，以在进入气缸的进气中实现不同水平的涡流和/或滚转。例如，可旋转进气端口可在顺时针方向上从第一位置旋转45度，以增加气流模式中的涡流比，并且提供具有更平衡的滚转和涡流比的气流模式。
图13和图14描绘了仅具有单个弯曲节段的可旋转进气端口的其他示例。应当理解，图13和图14所示的可旋转进气端口可包括在图1、图2、图6、图8和图10所示的发动机系统50中。因此，图13和图14所示的可旋转进气端口可旋转到基于发动机工况而产生选择量的涡流和/或滚转的不同取向。具体地，图13描绘了可旋转进气端口1300的实施例，其具有朝向可旋转进气端口1300的旋转轴线1304向内延伸的弯曲节段1302。可旋转进气端口1300的上游端1306具有半径R5，并且可旋转进气端口1300的下游端1308具有半径R6。如前述可旋转进气端口的实施例中，上游端和下游端具有恒定的半径。可旋转进气端口1300还包括中间节段1310。中间节段1310具有三个半径，R7、R8和R9。在一个示例中，半径R9可等于半径R5和半径R6。在一个附加示例中，半径R8可等于R5和R6。此外，在一个实例中，半径R9可小于半径R7。这样，中间节段1310可具有在径向横截面中的椭圆形轮廓。
图14描绘了具有弯曲节段1402的可旋转进气端口1400的实施例，弯曲节段1402从旋转进气端口1400的旋转轴线1404向外弯曲。可旋转进气端口1400包括具有半径R10的上游端1406和半径R11的下游端1408。如前述可旋转进气端口的实施例中，上游端和下游端具有恒定的半径。可旋转进气端口1400还包括中间节段1410。中间节段1410具有三个半径R12、R13和R14。在一个实例中，半径R12可等于半径R10和R11。另外，在一个示例中，半径R8可等于R5和R6。此外，在一个示例中，半径R13可等于半径R12。半径R9可小于半径R7。这样，中间节段1310可具有在径向横截面中的椭圆形轮廓。
图13和图14所示的可旋转进气端口中的弯曲节段能够基于发动机工况在进入气缸的进气气流中产生所需量的涡流和滚转，以改善空气-燃料混合。应当理解，涡流和/或滚转的量可由进气端口的取向(例如，旋转的位置)决定。因此，可提高燃烧效率，并且可减少发动机排放。
图12示出了用于发动机系统的操作的方法1200。在一个示例中，上面关于图1-11讨论的发动机系统可用于实现方法1200。然而，在其他示例中，可使用其他合适的发动机系统来实现方法1200。
在1202，该方法包括在第一工况期间，使进气流动通过处于第一位置的可旋转进气端口。在一个示例中，可旋转进气端口周向地围绕联接到气缸的进气门的进气门杆的至少一部分，并且具有朝向可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸的第一弯曲节段，以及从旋转轴线向外延伸的第二弯曲节段。此外，在一个示例中，第二弯曲节段在第一位置处比第一弯曲节段更靠近联接到气缸的排气门。但是，已经考虑其他弯曲节段位置。
接下来，在1204，该方法确定是否希望增加进入气缸的气流的滚转。如果确定不希望增加进入气缸的气流的滚转(1204处为“否”)，则该方法返回到1204。然而，如果确定希望增加进入气缸的气流的滚转(1204处为“是”)，则该方法前进到1206。
在1206，该方法包括在第二工况期间将可旋转进气端口旋转到第二位置。在一个示例中，第一弯曲节段在第二位置比第二弯曲节段更靠近排气门。在1208，该方法包括在第二工况期间，使进气流动通过第二位置中的可旋转进气端口，以增加通过进气门进入气缸的进气气流中的滚转。第二位置使得能够增加进气气流中的滚转模式，以在选择的发动机工况期间提高燃烧效率并减少排放。应当理解，增加进气中的滚转流动模式增加了进气门头部周围的气流的不平衡。
接下来，在1210，该方法包括确定是否希望减少进入气缸的气流的滚转，并且增加进入气缸的气流的涡流。如果确定不希望减少进入气缸的气流的滚转并增加进入气缸的气流的涡流(1210处为“否”)，则该方法返回到1210。然而，如果确定希望减少进入气缸的气流的滚转并增加进入气缸的气流的涡流(1210处为“是”)，则该方法前进到1212。在1212，该方法包括在第三工况期间将可旋转进气端口旋转到第三位置。具体地，在一个示例中，可旋转进气端口从第二位置在顺时针方向上旋转90°到第三位置。在这种示例中，第一弯曲节段和第二弯曲节段可与气缸的排气门基本上等距。在1214，在第三工况期间，该方法包括使进气流动通过在第三位置中的可旋转进气端口，以减少进气气流模式中的滚转，并增加进气气流模式中的涡流。在一个示例中，在第三位置中产生的涡流气流模式可在相对于气缸的垂直轴线的逆时针方向上。
接下来，在1216，该方法包括确定是否希望调整气缸中的涡流流动模式。如果确定不希望调整进入气缸的气流的涡流(1216处为“否”)，则该方法返回到1216。然而，如果确定希望调整进入气缸的气流的涡流(1216处为“是”)，则该方法前进到1218，其中该方法包括在第四工况期间，将可旋转进气端口旋转到第四位置。具体地，在一个示例中，可旋转进气端口从第三位置在顺时针方向上旋转180°到第四位置。在这种示例中，第一弯曲节段和第二弯曲节段可与气缸的排气门基本上等距。在1220，该方法包括使进气流动通过在第四位置中的可旋转进气端口，以调整涡流的方向。具体地，在一个示例中，使进气流动通过第四位置中的可旋转进气端口使进入气缸的进气气流中的涡流气流模式的方向反转。例如，与第三位置中的涡流的逆时针方向相反，在第四位置，涡流的方向可以是顺时针方向。
此外，在一个示例中，第一工况是当发动机速度低于阈值时，并且第二工况是当发动机速度大于阈值时。另外，在一些示例中，当发动机处于或接近其满负载或峰值功率条件下操作时，气缸中的气流的滚转比可增加。此外，在一些示例中，当发动机在冷启动或空转状态下操作时，气缸中的气流的涡流比可增加。在另一个示例中，当发动机在其高负载条件下操作时，滚转比可增加，并且气缸中气流的涡流比可减小。相反，当发动机在空转条件下操作时，滚转比可减小，并且气缸中气流的涡流比可增加。因此，在一个示例中，基于发动机功率、负载、空气/燃料比、温度、发动机速度和排气组成中的一个或多个，可调整滚转比和涡流比。
本公开的主题将在以下段落中进一步描述。根据一个方面，提供了一种发动机系统。发动机系统包括可旋转进气端口，其周向地围绕联接到气缸的进气门的杆的至少一部分，所述可旋转进气端口具有第一弯曲节段，所述第一弯曲节段朝向可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸，或者从可旋转进气端口的旋转轴线向外延伸；以及联接到可旋转进气端口的进气端口致动器，其被配置成基于发动机工况使可旋转进气端口围绕旋转轴线旋转。
根据另一个方面，提供了一种发动机中的发动机系统。发动机系统包括可旋转进气端口，该可旋转进气端口周向地围绕联接到气缸的进气门的进气门杆的至少一部分，该可旋转进气端口具有朝向可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸的第一弯曲节段，以及从旋转轴线向外延伸第二弯曲节段；以及联接到可旋转进气端口的进气端口致动器，其被配置成基于发动机工况使可旋转进气端口围绕旋转轴线旋转，以在通过进气门进入气缸的进气中产生气流模式，其具有选择的滚转比和涡流比。
根据另一个方面，提供了一种用于操作发动机系统的方法。该方法包括在第一工况期间，使进气流动通过在第一位置的可旋转进气端口，所述可旋转进气端口周向地围绕联接到气缸的进气门的进气门杆的至少一部分，并且具有朝向可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸的第一弯曲节段，以及从旋转轴线向外延伸的第二弯曲节段；以及在第二工况期间，使进气流动通过第二位置中的可旋转进气端口，其中第一位置在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有比由第二位置产生的通过进气门进入气缸的空气中的气流模式的滚转比更高的滚转比。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，可旋转进气端口可包括第二弯曲节段，其相对于第一弯曲节段定位在可旋转进气端口的相对侧面上。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，第二弯曲节段可从旋转轴线向外延伸，并且第一弯曲节段可朝向旋转轴线向内延伸。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，进气端口致动器可被配置成将可旋转进气端口旋转到第一位置，在第一位置，第二弯曲节段比第一弯曲节段更靠近联接到气缸的排气门，并且将可旋转进气端口旋转到第二位置，在第二位置，第一弯曲节段比第二弯曲节段更靠近排气门。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，第二位置中的可旋转进气端口可在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有比由第一位置中的可旋转进气端口产生的通过进气门进入气缸的空气中的气流模式的滚转比更高的滚转比。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，第一位置和第二位置可相对于旋转轴线成角度地分开180°。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，进气端口致动器可被配置成将可旋转进气端口旋转到第三位置，其中可旋转进气端口相对于第一位置在顺时针方向上旋转90°，并且其中第三位置在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，进气端口致动器可被配置成将可旋转进气端口旋转到第四位置，其中可旋转进气端口相对于第一位置在逆时针方向上旋转90°，其中第四位置在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，由第三位置中的可旋转进气端口产生的涡流流动模式的方向可与由第四位置中的可旋转进气端口产生的涡流流动模式的方向相反。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，进气端口致动器可被配置成将可旋转进气端口旋转到第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有不同的滚转比和涡流比。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，第一位置和第二位置可相对于旋转轴线成角度地分开180°。
在本文描述的任何方面或这些方面的组合中，第三位置和第四位置可相对于旋转轴线成角度地分开180°，所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置具有不同的角度取向。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，第一弯曲节段和第二弯曲节段可定位在可旋转进气端口的相对侧面上。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，在第一位置中，第二弯曲节段比第一弯曲节段更靠近联接到气缸的排气门，并且在第二位置，第一弯曲节段比第二弯曲节段更靠近排气门。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，该方法还可包括在第三工况期间，使进气流动通过第三位置中的可旋转进气端口，其中可旋转进气端口相对于第一位置围绕旋转轴线在顺时针方向上成角度地分开90°，并且其中第三位置中的可旋转进气端口在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
在本文所述的任何方面或这些方面的组合中，该方法还可包括在第四工况期间，使进气流动通过第四位置中的可旋转进气端口，其中可旋转进气端口相对于第一位置围绕旋转轴线在逆时针方向上成角度地分开90°，并且其中第四位置中的可旋转进气端口在通过进气门进入气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
图1-11示出具有各种部件的相对定位的示例配置。至少在一个示例中，如果被显示彼此直接地接触，或直接地联接，那么这些元件可分别被称为直接地接触或直接地联接。至少在一个示例中，被显示彼此邻接或相邻的元件可分别为彼此邻接或相邻。作为示例，放置成彼此共面接触的部件可被称为共面接触。作为另一个示例，在至少一个示例中，被定位成彼此隔开，同时其之间仅具有空间且没有其他部件的元件可被称为如此。作为另一个示例，被显示在彼此的上面/下面，在彼此的相对侧，或在彼此的左边/右边的元件可被称为相对于彼此如此。此外，在至少一个示例中，如附图中所示，最高的元件或元件的点可被称为部件的“顶部”，并且最低的元件或元件的点可被称为部件的“底部”。如本文所使用，顶部/底部、上/下、上面/下面可相对于图的垂直轴线，并且被用来描述图中的元件相对于彼此的定位。同样地，在一个示例中，其他元件上面的所示元件被定位在其他元件的垂直上方。作为另一个示例，附图内所描绘的元件的形状可被称为具有那些形状(例如，诸如为环状的，直的，平面的，弯曲的，圆形的，倒棱的，成角度的等等)。此外，在至少一个示例中，被显示彼此相交的元件可被称为相交的元件或彼此相交。另外，在一个示例中，被显示在另一个元件内或被显示在另一个元件外面的元件可被称为如此。
需注意，包括在本文的示例控制程序可与各种发动机和/或交通工具系统配置一起使用。本文描述的专用程序可表示任何数量的处理策略，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等中的一个或多个。这样，示出的各种动作、操作或功能可以示出的顺序、并行执行或以在一些情况下省略。同样地，处理的顺序不一定需要实现本文所描述的示例实施例的特征和优点，而是为了便于说明和描述被提供的。根据使用的特定策略，可重复执行示出的动作或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作可图形地表示要编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质中的代码。
应该理解，本文公开的配置和程序在本质上是示例性的，且这些具体实施例不应视为限制性意义，因为许多变化是可能的。例如，以上技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他的发动机类型。此外，各种系统配置中的一个或多个可与所描述的诊断程序中的一个或多个结合地使用。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和配置，以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

Claims (20)

1.一种发动机系统，其包括：
可旋转进气端口，其周向地围绕联接到气缸的进气门的杆的至少一部分，所述可旋转进气端口具有第一弯曲节段，所述第一弯曲节段朝向所述可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸，或者从所述可旋转进气端口的所述旋转轴线向外延伸；以及
联接到所述可旋转进气端口的进气端口致动器，其被配置成基于发动机工况使所述可旋转进气端口围绕所述旋转轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述可旋转进气端口包括第二弯曲节段，其相对于所述第一弯曲节段定位在所述可旋转进气端口的相对侧上。
3.根据权利要求2所述的发动机系统，其中所述第二弯曲节段从所述旋转轴线向外延伸，并且所述第一弯曲节段朝向所述旋转轴线向内延伸。
4.根据权利要求3所述的发动机系统，其中所述进气端口致动器被配置成：
将所述可旋转进气端口旋转到第一位置，在所述第一位置，所述第二弯曲节段比所述第一弯曲节段更靠近联接到所述气缸的排气门，以及
将所述可旋转进气端口旋转到第二位置，在所述第二位置，所述第一弯曲节段比所述第二弯曲节段更靠近所述排气门。
5.根据权利要求4所述的发动机系统，其中第二位置中的所述可旋转进气端口在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有的滚转比比由所述第一位置中的所述可旋转进气端口产生的通过所述进气门进入所述气缸的空气中的气流模式的滚转比更高。
6.根据权利要求4所述的发动机系统，其中所述第一位置和所述第二位置相对于所述旋转轴线成角度地分开180°。
7.根据权利要求4所述的发动机系统，其中所述进气端口致动器被配置成将所述可旋转进气端口旋转到第三位置，其中所述可旋转进气端口相对于所述第一位置在顺时针方向上旋转90°，并且其中所述第三位置在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
8.根据权利要求7所述的发动机系统，其中所述进气端口致动器被配置成将所述可旋转进气端口旋转到第四位置，其中所述可旋转进气端口相对于所述第一位置在逆时针方向上旋转90°，其中所述第四位置在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
9.根据权利要求8所述的发动机系统，其中由所述第三位置中的所述可旋转进气端口产生的所述涡流流动模式的方向与由所述第四位置中的所述可旋转进气端口产生的所述涡流流动模式的方向相反。
10.一种发动机中的发动机系统，其包括：
可旋转进气端口，其周向地围绕联接到气缸的进气门的进气门杆的至少一部分，所述可旋转进气端口具有朝向所述可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸的第一弯曲节段，以及从所述旋转轴线向外延伸的第二弯曲节段；以及
联接到所述可旋转进气端口的进气端口致动器，其被配置成基于发动机工况使所述可旋转进气端口围绕所述旋转轴线旋转，以在通过所述进气门进入所述气缸的进气中产生具有选择的滚转比和涡流比的气流模式。
11.根据权利要求10所述的发动机系统，其中所述进气端口致动器被配置成将所述可旋转进气端口旋转到第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有不同的滚转比和涡流比。
12.根据权利要求11所述的发动机系统，其中所述第一位置和所述第二位置相对于所述旋转轴线成角度地分开180°。
13.根据权利要求12所述的发动机系统，其中所述第三位置和所述第四位置相对于所述旋转轴线成角度地分开180°，所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置具有不同的角度取向。
14.根据权利要求11所述的发动机系统，其中第二位置中的所述可旋转进气端口在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有比由所述第一位置中的所述可旋转进气端口产生的通过所述进气门进入所述气缸的空气中的气流模式的滚转比更高的滚转比。
15.根据权利要求11所述的发动机系统，其中由所述第三位置中的所述可旋转进气端口产生的所述涡流流动模式的方向与由所述第四位置中的所述可旋转进气端口产生的所述涡流流动模式的方向相反。
16.根据权利要求10所述的发动机系统，其中所述第一弯曲节段和所述第二弯曲节段定位在所述可旋转进气端口的相对侧上。
17.一种用于操作发动机系统的方法，其包括：
在第一工况期间，使进气流动通过在第一位置的可旋转进气端口，所述可旋转进气端口周向地围绕联接到气缸的进气门的进气门杆的至少一部分，并且具有朝向所述可旋转进气端口的旋转轴线向内延伸的第一弯曲节段，以及从所述旋转轴线向外延伸的第二弯曲节段；以及
在第二工况期间，使进气流动通过第二位置中的所述可旋转进气端口，其中所述第一位置在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有比由所述第二位置产生的通过所述进气门进入所述气缸的空气中的气流模式的滚转比更高的滚转比。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第一位置中，所述第二弯曲节段比所述第一弯曲节段更靠近联接到所述气缸的排气门，并且在所述第二位置，所述第一弯曲节段比所述第二弯曲节段更靠近所述排气门。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括在第三工况期间，使进气流动通过第三位置中的所述可旋转进气端口，其中所述可旋转进气端口相对于所述第一位置围绕所述旋转轴线在顺时针方向上成角度地分开90°，并且其中所述第三位置中的所述可旋转进气端口在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
20.根据权利要求19所述的方法，其还包括在第四工况期间，使进气流动通过第四位置中的所述可旋转进气端口，其中所述可旋转进气端口相对于所述第一位置围绕所述旋转轴线在逆时针方向上成角度地分开90°，并且其中所述第四位置中的所述可旋转进气端口在通过所述进气门进入所述气缸的空气中产生气流模式，其具有比滚转比更大的涡流比。
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