CN110914525B - 压缩点火发动机的改进系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于利用多分区燃烧室(和/或多个燃烧室)在内部燃烧发动机中实现压缩点火(和/或火花辅助或燃料辅助压缩点火)的装置、系统和方法。此外，提供了用于实现和/或控制“连体气缸”内部燃烧发动机中的压缩点火(和/或包括火花辅助或燃料辅助压缩点火)的改进的装置、系统和方法。

Description

压缩点火发动机的改进系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年4月7日提交的序列号为No.62/483,191的共同未决的美国临时专利申请，以及2017年4月26日提交的序列号为No.62/490,056的共同未决的美国临时专利申请，以及2017年5月2日提交的序列号为No.62/500,475的共同未决的美国临时专利申请，以及2017年9月5日提交的序列号为No.62/554,429的共同未决的美国临时专利申请，以及2018年2月6日提交的序列号为No.62/627,029的共同未决的美国临时专利申请的优先权，这些申请的全部内容通过引用并入本文。
本申请还通过引用结合了2017年1月6日提交的序列号为No.15/400,813的美国非临时专利申请的内容。
技术领域
本发明构思总体上涉及用于在内部燃烧发动机中实现压缩点火(和/或火花辅助或燃料辅助压缩点火)的装置、系统和方法。更具体地，本发明构思涉及利用多分区燃烧室(和/或多个燃烧室)在内部燃烧发动机中实现压缩点火(和/或火花辅助或燃料辅助压缩点火)的改进的装置、系统和方法。此外，本发明构思涉及用于在内部燃烧发动机(包括“连体气缸”内部燃烧发动机)中实现和/或控制压缩点火(和/或火花辅助或燃料辅助压缩点火)的改进的装置、系统和方法。
背景技术
事实上，自从发明了内部燃烧发动机，人们就试图提高效率和降低排放。内部燃烧发动机的两种常见类别是火花点火和压缩点火(如本文所使用的，短语“压缩点火”包括但不一定限于：柴油/分层充量压缩点火(SCCI)、均质充量压缩点火(HCCI)、均质压缩点火(HCI)、均质充量火花点火(HCSI)、气体直接压缩点火(GDCI)、柴油和其它燃料以及燃料混合物、被增碳的和/或喷射为不同类型的燃料与燃料混合物的压缩点火、火花辅助点火、燃料辅助点火等)。
火花点火发动机利用来自火花塞的火花来点燃发动机的燃烧室内的空气-燃料混合物的燃烧过程。相反，压缩点火发动机利用燃烧室内的空气-燃料混合物中的温度和密度增加来自动点燃燃烧过程。火花点火发动机通常具有比压缩点火发动机低得多的效率。因为火焰从点火点(即火花)传播，所以这导致不完全燃烧。在压缩点火发动机中，不存在火焰前锋，相反由于燃烧通过增加的压力引发，点火是均匀的和/或发生在燃烧室内的多个位置，从而在整个空气-燃料混合物中造成几乎同时的/即时的点火，并导致更完全的燃烧。考虑到燃料被喷射(通常是直接喷射以控制燃烧循环)到燃烧室中的时机，传统的压缩点火发动机必须被精心设计成恰好在上止点之前提供燃烧，以避免如果燃烧过早发生对发动机造成灾难性损害。
与火焰传播通过火花点火发动机的燃烧室时产生的压力的更平缓增加相反，由于压缩点火发动机的燃烧室内的整个空气-燃料混合物的几乎瞬时点火，在燃烧室内突然产生了巨大的压力。这种瞬间的压力增加在均质充量压缩点火(HCCI)发动机中特别高。因此，要求发动机制造商精细地控制压缩点火发动机，使得在发动机的活塞处于上止点或从上止点向下移动时发生点火。否则，如果点火发生在活塞到达上止点之前，则将引起灾难性的发动机故障(即，包括但不限于活塞杆弯曲、活塞裙部塌陷、缸盖垫片破损等)。然而，这种精确的控制要求需要非常严密的设计参数，这限制了这种发动机的压缩比和/或工作温度。太高的压缩比可能导致在上止点之前自动点火。然而，减小压缩比就提高了实现自动点火所需的温度，从而使发动机难以在低温环境中运转。
授予Roberts,Jr.的美国专利No.6,557,520(其全部公开内容通过引用并入本文)公开了一种用于压缩点火发动机中的燃烧控制的多分区燃烧室与方法，其有助于控制在压缩点火发动机中产生的瞬间燃烧压力波动。Roberts,Jr.通过活塞和气缸盖的阶梯形设计将燃烧室物理地分隔成多个较小的密封的室(例如，初级室和至少一个二级室，以及可能的三级或更多的后续室)。具体地，参考图1，Roberts,Jr.公开了一种杯形活塞140，其具有由活塞的周向突出壁142部分围绕的中心凹部141。Roberts,Jr.的气缸盖132构造成匹配地接收活塞的杯形，并且具有被周向凹部134围绕的中心突起133。活塞的中心凹部141适于滑动地接收缸盖的中心突起133，并且周向突出壁142适于被滑动地接收在活塞气缸130与中心突起133和凹部134之间。图2-图8示出了Roberts,Jr.的发动机的内部燃烧过程的多阶段顺序，其中在初级室143中引发燃烧，而在二级室144中引发延迟燃烧。
图2示出了在正常进气冲程之后开始的第一阶段，其中空气被吸入到燃烧室146中。燃料通过气门41和/或燃料喷射器62被输送并混合到燃烧系统中。
图3示出了之后的在燃烧室146的压缩冲程中的第二阶段。该阶段示出了由于压缩加热而在初级室143和二级室144中的未燃烧的燃料/空气聚集物150、151内的化学反应的引发。在该阶段，由于活塞的设计和运动以及燃烧室的设计，燃烧室146被分成两个单独的燃烧室(初级室143和二级室144)。
图4示出了第三阶段，其中捕获在初级室143内的燃料/空气聚集物150经历压缩点火过程。当进行压缩点火时，发生初级室143中的燃料/空气聚集物150的快速燃烧。初级室143的尺寸调整捕获在初级室143中的能量的量，使得当燃料/空气聚集物150点火时，可以通过设计来控制所实现的压力和温度。点燃燃料/空气聚集物150所需的压力是热力学相互作用的函数。初级室143和二级室144具有不同的压缩和/或压力比值，使得二级室144内的燃料/空气聚集物151不会由于来自活塞的压缩而自动点火。
图5示出了第四阶段，其中压缩点火过程进行至初级室143内的快速燃烧过程。由于初级室143正被用作二级室144的点火控制，所以TDC之后的时机不是必需的。
图6示出了第五阶段，其中燃料/空气聚集物150已经转化为初级室143内的高压、高温的燃烧气体150A。在Roberts,Jr.的发动机中，在TDC之后当活塞140沿向下冲程44的方向移动时，发生第五阶段。在该第五阶段中，燃烧气体150A继续膨胀并且保持与二级室144中的剩余燃料/空气聚集物151(或剩余可燃气体)分隔开。
图7示出了第六阶段，其中活塞140已经移动到消除了初级室143和二级室144的分隔的预定位置。在TDC之后当活塞继续沿向下冲程44的方向移动时，发生第六阶段。在该阶段中，引发二级室144中的剩余燃料/空气聚集物151的燃烧。图7示出了来自初级室143的燃烧气体150A，其与二级室144的剩余燃料/空气聚集物151热力学连通并使其转化成剩余燃烧气体151A。在初级室143和二级室144已经不再分隔并且允许初级室143的燃烧气体150A与二级室144连通之后，初级室143中的燃烧气体150A和初级室143的热力学状态用作二级室144中的剩余燃料/空气聚集物151的点火源。
图8示出了第七阶段，其中二级室144的所有的剩余燃料/空气聚集物151被点燃并转化成燃烧气体151A。二级室的点火可以通过压缩点火、直接火焰接触或它们的组合来进行。
Roberts,Jr.的多阶燃烧过程允许通过由活塞引起的压缩来引发燃烧过程，而不需要对反应的精确控制以确保该反应发生在活塞处于上止点或经过上止点时。相反，燃烧室的分隔允许活塞仅在初级室中引起自动点火，初级室具有比二级室更高的压缩比和/或压力比。初级燃烧室的相对较小的体积减小了活塞上的向下力，即使活塞处于其向上冲程，也减小了损害发动机的风险。直到活塞处于其向下冲程并且初级燃烧室与二级燃烧室之间的密封/阻挡(由活塞和缸盖形状形成)被移除，才会发生剩余燃烧。
尽管多阶燃烧过程提供了益处，但Roberts Jr.的装置和方法具有若干缺点。例如，活塞中心凹部141和缸盖的周向凹部134的设计形成捕获体积区域，在该区域中难以获得均匀的空气-燃料混合物(如下文所使用的，意味着排气、排气再循环(EGR)、进气和燃料都以均匀方式混合)。这会显著降低发动机的性能和效率。另外，活塞的中心凹部141降低了将活塞连接到杆的肘节销的位置。这样的设计增加了发动机故障的可能性，这是由于减小了对活塞托架摇晃/活塞松动的控制以及减小了活塞上的显著应力区域处的强度。此外，在初级和二级(三级，等)燃烧室之间形成的物理密封加剧了产生均匀的空气-燃料混合物的难度，使得难以控制发动机爆震。因此，提供用于实现多阶压缩点火的系统和方法将是有益的，所述系统和方法减少了捕获体积(减少发动机爆震)和/或减小发动机故障的可能性，从而在RPM、温度和/或多种负载(具有和不具有升压—例如，增压、涡轮等)的众多范围中对压缩点火进行控制。
此外，压缩点火在“连体气缸”发动机中的应用是难以控制或不可能控制的。“连体气缸”发动机是多气缸发动机，其中发动机气缸以如下方式布置：它们在相邻气缸之间的气缸壁中不具有用于使水或其它冷却剂循环的渠道。当期望具有受限尺寸的发动机缸体时，或者当关注气缸缸膛的稳定性(比如在赛车发动机中)时，通常使用这样的布置。冷却剂的缺乏导致在相邻气缸彼此相交的位置处出现热点，这使得难以控制压缩点火。因此，提供用于实现和/或控制“连体气缸”内部燃烧发动机中的压缩点火(包括火花辅助和/或燃料辅助压缩点火)的装置、系统和方法将是有益的。
发明内容
本发明构思包括如下的装置、系统和方法：其用于以类似于Roberts,Jr.的专利中所述的方式实现多阶压缩点火，同时还减小/最小化/消除捕获体积、减少碳积聚、减少发动机爆震和/或降低Roberts,Jr.的设计所固有的发动机故障的可能性，并且提供了在RPM、温度和/或多种负载(具有和不具有任何种类的进气升压)的众多范围中对压缩点火的控制。本发明构思包括阶梯式活塞，其包括大致的中心突起(或多个突起)，其与气缸盖中的中心凹部(或多个凹部)配合，以将发动机的燃烧室物理地分隔成多个较小的室(例如，初级室和至少的二级室，以及可能的三级室，或更多的后续室)。在一些实施例中，尽管阶梯式活塞将燃烧室物理地分隔成多个室，但是分开的室彼此并不物理地密封，这允许它们之间的流体连通。在一些这样的实施例中，通过多阶段动态压缩点火燃烧过程来控制燃烧室之间的流体连通，在多阶段动态压缩点火燃烧过程中，在初级和二级(以及三级等)燃烧室/点火源之间存在恒定的流体连通。在这样的实施例中，多阶段动态过程有助于形成均匀的空气-燃料混合物并且减慢点或，从而允许活塞在发生完全点火(例如，贯穿整个燃烧室(包括初级、二级等))之前移动经过上止点。
应当理解，本发明构思的各个实施例将结合现在已知或以后发现的任何类型的压缩点火发动机技术来使用，包括但不限于柴油/分层充量压缩点火、均质充量压缩点火、均质压缩点火(HCI)、均质充量火花点火、气体直接压缩点火、柴油和其它燃料以及燃料混合物(包括现在已知或者以后开发或发现的液体燃料、固体燃料、天然燃料或其它燃料)、被增碳的和/或喷射为不同类型的燃料与燃料混合物的压缩点火、火花辅助点火、燃料辅助点火等。在一些实施例中，燃料被分开地引入(例如，直接喷射或其它形式的燃料进入)到燃烧室的不同部分中，比如分开地引入到初级室和二级室中。在一些这样的实施例中，不同类型的燃料被引入到燃烧室的一个或更多个分开的部分中(例如，柴油燃料在初级燃烧室中，并且气体在二级燃烧室中，等等)。本发明构思的实施例包括双循环技术和四循环技术、Miller循环、Atkinson循环、回转发动机、改进的活塞发动机(例如，偏置椭圆形活塞或其它旋绕形状的活塞)、涡轮风扇、对置活塞、Scuderi或其它分置循环发动机、以及现在已知或以后开发的其它发动机技术。在一些双循环实施例中，进气门和排气门被包括在缸盖中。在其它实施例中，排气位于侧部上，并且活塞用作排气门以控制排气。在一些优选实施例中，至少一个进气门位于缸盖中以帮助使捕获体积最小化。在一些实施例中，在排气内包括蝶形气门(或其它合适的气门组件)。在这样的实施例中，气门被用来捕获热量和/或排出燃烧室内部的气体，以抑制(或部分地抑制)下一次燃烧循环并且辅助发动机中的压缩点火。在一些这样的实施例中，捕获的热量用作下一次燃烧循环的催化剂。应当理解，在各个实施例中，蝶形排气门将在任何给定的时间打开或关闭或调整，以控制压缩点火过程。在一些实施例中，蝶形气门在较高RPM时进一步打开，并且在较低RPM时更加关闭。应理解的是，本发明构思的蝶形排气门将与本文的任一个发动机实施例(比如，本文公开的多阶段动态压缩点火燃烧发动机)一起单独地或结合其它特征来使用，并且结合了其它双循环、四循环发动机或者现有技术和以后开发的其它发动机类型(比如，没有采用多阶段动态压缩点火燃烧的发动机)。
虽然未示出，但是本发明构思的各个实施例包括位于燃烧室周围的各个位置处的燃料喷射器，以在整个室中提供期望的均匀的空气/燃料/EGR混合物。在一些实施例中，喷射器位于不同的角度和方位，包括位于不同的曲柄角度和/或位于单个循环内的多个不同的曲柄角度，以将期望的燃料/空气的混合物提供到燃烧室中。在一些实施例中，燃料不是直接喷射到燃烧室中，而是燃料在预进气区域中(例如，在通过(多个)进气门进入燃烧室之前)被混合到空气中。在各个实施例中，空气-燃料混合物经由高压或低压端口、节流阀体(包括连接到节流阀体中的上游线性EGR，和/或用于辅助更好地雾化空气/燃料和/或EGR混合物的下游燃料喷射)、相继的辅助端口、直接或间接喷射、或它们的任何组合来实现。在再一些其它的实施例中，(多个)化油器被用于实现空气-燃料混合物或其一部分。在一些实施例中，采用用于节流阀体的分层云状喷射，其中通过电动或机械泵产生90PSI或更高的燃料压力，以产生具有高雾化能力的细雾。在其它低压喷射实施例中，采用10PSI或更高的燃料压力。一些实施例包括单个、成对、三个、四个(等)节流阀的高压云状节流阀体。高压使燃料雾化，以导致用于HCCI的改进的均匀的燃料混合物。在一些实施例中，本发明构思利用经由多个喷嘴的高压燃料喷射来产生云状喷射。
在一些实施例中，利用标准节流阀控制来控制发动机的进入气体。在一些实施例中，利用蝶形节流阀控制来限制进入气体。在一些实施例中，利用具有蝶形组件的节流阀体和/或具有可调节的稀/浓控制功能的化油器来控制进入发动机进气的空气/燃料的量。在一些实施例中，电子控制结合加浓针使用，以控制稀/浓功能并控制在任何给定时间在进气中的燃料量。在一些实施例中，稀/浓功能的电子控制是化油器的一部分。在一些实施例中，化油器包括对进入气体的节流控制。
在一些实施例中，使用火花塞或电热塞来辅助点火。例如，在一些实施例中，在低温、低RPM或发动机起动情况下使用火花塞。(多个)火花塞的角度和位置根据发动机的期望性能而变化。在一些实施例中，(多个)火花塞定位成与活塞成45度角以防止干扰进气门。在一些实施例中，火花塞位于初级室中。在一些实施例中，火花塞位于二级室(三级室，等)中。在一些实施例中，火花塞既位于初级室又位于二级室中。在本发明的各个实施例中，一个或更多个火花塞或电热塞延伸穿过缸盖的壁进入一个或更多个室中。在一些实施例中，一个或更多个火花塞和电热塞延伸到单个压缩室中。
本发明构思的一些实施例包括用于以与上述类似的方式在“连体气缸”内部燃烧发动机中实现多阶压缩点火的装置、系统和方法。在一些实施例中，本发明构思包括阶梯式活塞，其包括大致的中心突起，该中心突起与气缸盖中的中心凹部配合，以将发动机的燃烧室物理地分隔成多个较小的室(例如，初级室和至少的二级室，以及可能的三级室，或更多的后续室)。在一些实施例中，尽管阶梯式活塞将燃烧室物理地分隔成多个室，但是分开的室彼此并不物理地密封，这允许它们之间的流体连通。在一些这样的实施例中，通过多阶段动态压缩点火燃烧过程来控制燃烧室之间的流体连通，在多阶段动态压缩点火燃烧过程中，在初级和二级(以及三级等)燃烧室/点火源之间存在恒定的流体连通。在这样的实施例中，多阶段动态过程有助于形成均匀的空气-燃料混合物并且减慢点火，从而允许活塞在发生完全点火(例如，贯穿整个燃烧室(包括初级、二级等))之前移动经过上止点。
前述和其它的目的旨在说明本发明构思，而并不意味着限制。在研究以下包括其一部分的说明书和附图时，可以做出本发明构思的许多可能的实施例，并且将是显而易见的。可以在不参考其它特征和子组合的情况下采用本发明构思的各个特征和子组合。根据以下结合附图的描述，本发明构思的其它目的和优点将变得显而易见，其中通过说明和示例的方式阐述了本发明构思的实施例及其各个特征。
附图说明
本发明构思的优选实施例在下面的描述中阐述并在附图中示出，该优选实施例说明了申请人已经构思的应用该原理的最佳模式。
图1示出了现有技术的多分区燃烧室压缩点火发动机的截面图。
图2-图8示出了图1的现有技术发动机中的燃烧的多个阶段。
图9示出了本发明构思的实施例的多分区燃烧室压缩点火发动机的截面图。在图9中，活塞定位成使得燃烧室不被分隔。换句话说，初级和二级(以及任何后续的)燃烧室全都彼此完全流体连通。
图10示出了图9的发动机的截面图，其中活塞定位成使得燃烧室被分隔为初级燃烧室和二级燃烧室。
图11是沿图9中的剖面线11-11截取的图9和图10的活塞的俯视截面平面图。
图12是沿图9中的剖面线12-12截取的图9和图10的缸盖的仰视截面平面图。
图13示出了本发明构思的另一实施例的多分区燃烧室压缩点火发动机的截面图。在图13中，活塞定位成使得燃烧室不被分隔。换句话说，初级和二级(以及任何后续的)燃烧室全都彼此完全流体连通。此外，在图13中，在活塞中包括端口以提供多阶段动态压缩点火燃烧。此外，在缸盖中包括端口以有助于在自动点火之前、之后和/或在自动点火时通过在燃烧室内形成回转来产生均匀的空气-燃料混合物。
图14示出了图13的发动机的截面图，其中活塞定位成使得燃烧室被分隔为初级燃烧室和二级燃烧室。如图14中所示，即使当燃烧室被分隔时，它们也不彼此密封。
图15是沿图13中的剖面线19-19截取的图13和图14的活塞的俯视截面平面图。
图16是沿图13中的剖面线18-18截取的图13和图14的缸盖的仰视截面平面图；
图17示出了图9和图10的发动机的替代实施例的截面图，其中活塞定位成使得燃烧室被分隔为初级燃烧室和二级燃烧室。
图18A、图18B和图18C示出了本发明构思的实施例的多级喷射器的代表性截面平面图。
图19A示出了本发明构思的双循环发动机的实施例，其中活塞用作排气门和进气门，并且进一步包括在排气出口内的蝶形气门，以捕获热量和排出燃烧室内部的气体以帮助压缩点火。图19B和图19C示出了本发明构思的发动机的其它实施例，其包括在排气出口内的蝶形气门，以捕获热量和排出燃烧室内部的气体以帮助压缩点火。
图20示出了三气缸式连体气缸发动机的代表性俯视平面图，其描绘了本发明构思的实施例的气缸和气门布置。
图21是图20中的发动机的前视截面立面图。
图22示出了包括本发明构思的多个突起的三气缸式连体气缸发动机的另一实施例的代表性俯视平面图。
图23示出了本发明构思的平盖(或侧置气门)发动机类型的实施例的多分区燃烧室压缩点火发动机的截面图。
图24示出了沿着图23中的剖面线24-24截取的图23的发动机的发动机缸体的截面图。
图25示出了沿着图23中的剖面线25-25截取的图23的发动机的气缸盖的截面图。
图26示出了具有沿着活塞的两个侧部上的弧线定位的六个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图。
图27是与图26中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图28示出了具有沿着活塞的一个侧部上的弧线定位的三个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图。
图29是与图28中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图30是类似于图26的实施例的发动机缸体的实施例的俯视图，其中每组气门沿着沿活塞的任一侧部的直线定位。
图31是类似于图28的实施例的发动机缸体的实施例的俯视图，其中气门沿着沿活塞的一个侧部的直线定位。
图32示出了具有彼此相邻定位的第一和第二活塞的发动机缸体的实施例的俯视图。
图33是与图32和图34中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了与每个活塞相关联的凹部，每个凹部形成将每组气门与发动机缸体的相应燃烧室连接的通道。
图34是类似于图32的实施例的发动机缸体的实施例的俯视图，其中每组气门沿着沿相应活塞的相应侧部的直线定位。
图35是与图32和图34中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了与每个活塞相关联的用于形成将每组气门与发动机缸体的相应燃烧室连接的通道的凹部以及将燃烧室相互连接的凹部。
图36示出了具有第一和第二活塞的发动机缸体的实施例的俯视图。
图37是与图36、图38、图39和图40的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了第一凹部和第二凹部以及第三凹部，所述第一凹部和第二凹部形成将相应的第一组气门和第二组气门与发动机缸体的相应的第一燃烧室和第二燃烧室连接的第一通道和第二通道，所述第三凹部将第三组气门连接到第一燃烧室和第二燃烧室中的每一个。应当理解，其它实施例包括不同的凹部构造。
图38是类似于图36的实施例的发动机缸体的实施例的俯视图，其中第三组气门中的两个气门沿着与第一活塞相关联的第一弧线定位，并且两个气门沿着与第二活塞相关联的第二弧线定位，中心气门定位在第一弧线和第二弧线中的每一个的交点处。
图39是类似于图36的实施例的发动机缸体的实施例的俯视图，其中第三组气门中的两个气门沿着与第二活塞相关联的第二弧线定位，并且两个气门沿着与第一活塞相关联的第一弧线定位，中心气门定位在第一弧线和第二弧线中的每一个的交点处。
图40是类似于图40的实施例的发动机缸体的实施例的俯视图，其中移除了第三组气门中的中心气门。
图41是与图40中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了第一凹部和第二凹部，所述第一凹部和第二凹部形成将相应的第一组气门和第二组气门与发动机缸体的相应燃烧室连接的相应的第一和第二通道。所述缸盖进一步限定了第三凹部和第四凹部，所述第三凹部将第一燃烧室与第三组气门中的第一气门连接，第四凹部将第二燃烧室与第三组气门中的第二气门连接。
图42示出了具有两个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这两个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线。
图43是与图42中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图44示出了具有两个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这两个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线。
图45是与图44中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图46示出了具有两个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这两个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线。
图47是与图46中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图48示出了具有两个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这两个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线。
图49是与图48中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图50示出了具有四个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这四个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线，气缸的每个侧部上有两个气门。
图51是与图50中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图52示出了具有四个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这四个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线，气缸的每个侧部上有两个气门。
图53是与图52中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图54示出了具有四个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这四个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线，气缸的每个侧部上有两个气门。
图55是与图54中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图56示出了具有四个侧置气门的发动机缸体的实施例的俯视图，这四个侧置气门定位成与发动机曲柄成直线，气缸的每个侧部上有两个气门。
图57是与图56中的发动机缸体相关联的缸盖的仰视图，该缸盖限定了凹部，该凹部形成将气门连接到发动机缸体的燃烧室的通道。
图58示出了表示本发明的发动机的截面图，发动机的活塞被示出处于上止点处，并且发动机的可变压缩比活塞被示出处于第一位置；
图59示出了图58的截面图，其中可变压缩比活塞被示出处于中间位置。
图60示出了图58的截面图，其中可变压缩比活塞被示出处于第二位置。
图61示出了图58的截面图，其中活塞被示出为从上止点移位。
具体实施方式
按照需要，本文公开了本发明构思的详细实施例，然而，应理解的是，所公开的实施例仅是本发明构思的原理的示例，本发明构思可以以各种形式实施。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为权利要求的基础，并且作为用于教导本领域技术人员在实际上任何合适的详细结构中以各种方式采用本发明构思的代表性基础。
参考图9至图12，本发明构思的示例性实施例包括活塞100，其被构造为在气缸300的缸膛内轴向地往复运动，使得活塞可在顶部位置与底部位置之间移动。缸盖500联接到气缸的顶部，使得当活塞处于顶部位置时活塞的顶部表面紧邻缸盖的底部表面。在一些实施例中，缸盖的底部表面和活塞的顶部表面被构造成当活塞处于顶部位置时限定位于活塞与缸盖之间的特定体积的一个或更多个空隙。
在一些实施例中，大致的中心突起110从活塞的主体的顶部延伸，使得活塞的顶部表面部分地由活塞的主体的顶部表面并且部分地由突起的顶部表面限定。在一些这样的实施例中，气缸盖500包括大致的中心凹部510，其被构造为当突起处于接合构型时匹配地接收活塞的突起110。活塞的中心突起110适于在其在初始接合构型与完全接合构型之间移动时被滑动地接收在缸盖的中心凹部510中，该突起的完全接合构型与活塞的顶部位置重合。当活塞从底部位置朝向顶部位置(通常称为上止点)移动时，活塞的中心突起110从脱离构型移动到初始接合构型，这与活塞的突起初始被缸盖的凹部接收重合。当活塞继续朝向顶部位置移动时，突起滑动到缸盖的中心凹部510中，从而形成初级燃烧室600和二级燃烧室700。初级燃烧室600由突起的顶部表面与凹部的顶部表面之间的空隙限定。二级燃烧室700由活塞的主体的顶部表面与缸盖的底部表面之间的一个或更多个空隙限定。
在一些实施例中，初级燃烧室600和二级燃烧室700的相应体积被设计成使得初级燃烧室600的压缩比和/或压力比高于二级燃烧室700的压缩比和/或压力比(在其它实施例中，正好相反)。以此方式，可以在活塞到达上止点时、之前或之后在初级燃烧室600中获得燃料-空气混合物的自动点火，而不会导致二级燃烧室700内的自动点火。当活塞移动远离顶部位置时，突起110从接合构型朝向脱离构型(其中突起从缸盖的凹部510移位)移动，从而允许初级燃烧室600内的燃烧产生的压力膨胀进入二级燃烧室700中，在二级燃烧室700内引发燃烧、燃烧点火和/或点火。
参考图10，一些实施例限定了当突起处于接合构型时在突起110的外周面与凹部510的内壁之间的间隙800。在一些这样的实施例中，一个或更多个间隙填充机构(比如环)联接至突起110和/或固定在凹部510内，以便防止或以其它方式阻止流体流过间隙800。在一些这样的实施例中，当突起处于接合构型时，间隙填充机构在初级燃烧室600与二级燃烧室700之间产生气密密封。然而，在其它实施例中，不使用间隙填充机构，比如环(或另一种密封件)，因为间隙800的尺寸被设计成在活塞处于其向下冲程之前允许在初级燃烧室600内产生足够的压力以形成自动点火，而不准许足够的压力通过间隙800逸出以在活塞处于顶部位置时在二级燃烧室700内产生点火。在又一些实施例中，如下所讨论的，出于形成多阶段动态压缩点火燃烧的目的，初级燃烧室和二级燃烧室彼此保持恒定的流体连通。在一些实施例中，间隙800足以在活塞冲程期间的所有时间在初级燃烧室与二级燃烧室之间提供这种恒定的流体连通。
如图9和图10所示，进气门400位于气缸盖的凹部510内，以减少和/或消除燃烧室内的捕获体积(和/或富空气腔，和/或初级室与二级室之间的不平衡燃烧)，并确保整个燃烧室(初级室和二级室)内的均匀的空气/燃料/EGR混合物。应当理解，在其它实施例中，包括位于其它位置的另外的进气门，在这些位置，捕获体积将以其它方式存在和/或在这些位置中空气/燃料/EGR混合物是期望的(比如在二级燃烧室中)。例如，在具有三级或更多燃烧室的实施例中，在每个燃烧室中都包括进气门。还应当理解，在一些实施例中，在排气冲程的至少一部分期间(和/或在一些实施例中，在动力和/或压缩冲程的至少一部分期间)，进气门400(和/或其它进气门)打开，以消除捕获体积。在一些这样的实施例中，气门在排气冲程的顶部打开。在一些实施例中，排气门(未示出)位于二级燃烧室内。在另外的实施例中，排气门(未示出)被包括在凹部510中，以帮助消除捕获体积，和/或位于燃烧室内的其它期望位置处。应当理解，通过消除捕获体积，本发明构思有助于产生相等的空气/燃料和排气EGR、碳氢化合物、一氧化碳，并且维持低NOx排放。本发明构思允许双循环的扫气，这在现有技术(比如上面讨论的Roberts Jr.发动机)中是不存在的。
参考图9和图10，活塞100(具有位于活塞100的中心处的突起110)的设计允许肘节销210在活塞的增加厚度(由于突起)的位置处将杆200附接到活塞。这增加了原本处于增加应力下的位置处的强度。此外，当活塞在气缸内上下移动时，活塞上的相对较高的连接允许更好地控制活塞和减小活塞松动。
参考图13至图16，一些实施例包括一个或更多个缸盖端口520，所述缸盖端口由缸盖500的一部分限定并延伸穿过缸盖的该部分。在一些这样的实施例中，当突起处于初始接合构型时，每个缸盖端口520在初级燃烧室600与二级燃烧室700之间延伸。在一些实施例中，所述端口被设计成当活塞100在气缸内往复运动时产生进入(多个)燃烧室的循环的或回转的和/或卷动的和/或翻滚的气流，以产生恒定的空气/燃料混合物。这有助于消除或以其它方式最小化燃烧室内的捕获体积。在一些实施例中，如图13至图16所示，当突起110处于完全接合构型时，突起作为气门来操作以闭合缸盖端口。在一些这样的实施例中，当突起移动远离完全接合构型时，缸盖端口重新打开。在其它实施例中，缸盖端口的开口定位在凹部内，使得无论突起的位置如何，初级室600都通过至少一些缸盖端口520与二级室700保持连续的流体连通。在一些实施例中，如图13至图16所示，端口520被示出为从顶部至底部成大概45度的角度。应当理解，在各个实施例中将采用端口520的其它角度、尺寸、形状、长度等，以在燃烧室内/之间产生期望的循环。此外，端口520的数量和位置以及离开/进入角度将在实施例之间变化以获得期望的循环。在一些实施例中，间隙800足以在活塞冲程期间的所有时间提供初级室600与二级室700之间的恒定流体连通。
在一些实施例中，如图13至图16所示，突起限定了从突起的顶部表面延伸至突起的侧部表面的一个或更多个端口130。在一些这样的实施例中，单个中心端口120从突起的顶部表面的中心轴向延伸到突起中，并且多个侧向端口从中心端口延伸到突起的侧部表面。在一些这样的实施例中，每个侧向端口相对于中心端口以一定角度延伸，使得通过中心端口和任何一个侧向端口的任何通路的长度与通过中心端口和任何一个其它侧向端口的通路的长度具有基本上相同的距离。
在一些实施例中，如图14所示，至少一些侧向端口的开口沿着突起的外表面定位，使得当突起处于接合构型时，该侧向端口与二级燃烧室700流体连通，而不管突起是处于初始接合构型还是完全接合构型。以这种方式，可以在初级燃烧室600与二级燃烧室700之间保持恒定和连续的流体连通，从而有助于多阶段动态压缩点火燃烧。在一些实施例中，所述端口被设计成当活塞100在气缸内往复运动时产生进入(多个)燃烧室的循环的或回转的气流。这有助于消除或以其它方式最小化燃烧室内的捕获体积。在一些实施例中，如图13至图16所示，端口120、130被示出为从顶部至底部并且围绕突起110成各种角度。应当理解，在各个实施例中将采用端口120、130的其它角度、尺寸、形状、长度等，以在燃烧室内/之间产生期望的循环。此外，端口120和130的数量和位置以及离开/进入角度将在实施例之间变化以获得期望的循环。在一些实施例中，如图15所示，端口130大致切向地离开端口120，以便帮助在燃烧室内产生循环流动。
参考图17，示出了图9和图10中的发动机的替代实施例的截面图，其中活塞定位成使得燃烧室被分隔为初级燃烧室和二级燃烧室。在图17所示的实施例中，活塞100的突起110包括围绕突起110的周面的凹槽115。应理解的是，在本发明的类似于本文所讨论的那些实施例的各个实施例(包括但不限于以上关于图1至图16所示出的各个实施例)中包括类似的凹槽和或凹陷。在一些实施例中，采用多个凹槽/凹陷。凹槽/凹陷形成摩擦以帮助在(多个)燃烧室内产生速度涡流/湍流。
在一些实施例中，在二级室700中发生二级点火之前，在初级室600中发生初始点火。应当理解，在其它实施例中，在二级室700中发生初始点火，而在初级室600中发生二级点火。在这样的实施例中，活塞100、突起110、缸盖500和中心凹部510被构造成使得在二级室700中获得比初级室600中更高的压缩比和/或压力比。
在一些实施例中，用于气门400的壳体和/或另一合适的结构被定位在凹部510内并且被构造为改变凹部510内的体积。以这种方式，气门400的壳体能够调整初级燃烧室600内的压缩比，以允许变化的性能水平和/或适应各种操作状况。在一些实施例中，采用类似于美国公开专利申请No.2007/084428(其全部内容通过引用并入本文)中所示的活塞布置，以改变凹部510内的体积。参考图9和图10，示例性的可变压缩比活塞900容纳气门400，使得活塞900可在打开位置与关闭位置之间移动，从而允许可变压缩比活塞900改变凹部510内的体积。在一些实施例中，可变压缩比活塞是液压的(“液压可变压缩比活塞”)，而在其它实施例中，活塞移位是机电液压的、压电机械液压的或者现在已知或以后开发的任何其它形式的移位。在一些实施例中，可变压缩比活塞经由电马达和螺杆齿轮组件移动。在一些这样的实施例中，随着发动机RPM的上升和下降，螺杆齿轮组件上下调节可变压缩比活塞。在一些实施例中，螺杆齿轮组件通常用于对可变压缩比活塞的“较慢”调节，其中针对活塞的多个冲程，可变压缩比活塞被维持在恒定位置处，使得变压缩比活塞在每个冲程不被移位成不同的比例。在一些实施例中，可变压缩比活塞经由连杆和凸轮组件上下移动。一些这样的实施例允许可变压缩比活塞“快得多”的移位，从而允许可变压缩比活塞在每个冲程被移位成不同的比例。在一些这样的实施例中，可变压缩比活塞在每个燃烧循环中往复运动，与本发明构思的活塞100的(多个)突起的往复运动相反或以其它方式相对立。一些这样的实施例允许初级燃烧室中的最大化燃烧，从而在允许预燃烧的同时通过气门机构产生到曲柄的能量。
应当理解，在一些实施例中，本发明构思的可变压缩比活塞是与任何气门分开的结构，使得可变压缩比活塞的唯一功能是改变凹部510内的体积。在一些实施例中，可变压缩比活塞包括在活塞内的或作为活塞的一部分的进气门，使得气门与活塞一起移位。在其它实施例中，气门与活塞分开，使得当活塞移位时，气门保持在静止位置。
参考图58至图61，可变压缩比活塞900的一些实施例可在第一位置与第二位置之间移动，所述第一位置与第二位置分别与最大和最小凹部510体积相关。在一些实施例中，利用连杆组件910使可变压缩比活塞在其第一位置与第二位置之间移动和/或将可变压缩比活塞选择性地固定在其第一位置、其第二位置和/或一个或更多个中间位置。
在一些实施例中，本发明包括用于监测和/或控制可变压缩比活塞900的位置的控制系统。在一些实施例中，控制系统利用机械方法和/或电气方法(比如磁阻器和/或霍尔效应方法)来确定可变压缩比活塞的位置。在一些实施例中，控制系统包括用于感测可变压缩比活塞处于其相应的第一位置或第二位置时的第一传感器922和第二传感器924。在一些这样的实施例中，控制系统进一步包括定位在第一传感器与第二传感器之间的多个中间传感器，每个中间传感器都与可变压缩比活塞的相应的中间位置相关联。
在一些实施例中，可变压缩比活塞包括与相应的传感器相关联的一个或更多个特征。在一些实施例中，可变压缩比活塞的多个相应特征被定位成使得当可变压缩比活塞在其第一位置与第二位置之间移动时，每个特征移入和移出相应传感器的视线(和/或以其它方式相对于传感器的感测区域移动)。以这种方式，第一特征912、第二特征914和中间特征被定位成当可变压缩比活塞900处于相应的第一、第二和中间位置时，仅由相应的第一传感器922、第二传感器924和中间传感器感测，从而提供可变压缩比活塞的当前位置的指示。在一些实施例中，一个或更多个传感器由传感器支撑构件920保持在合适的位置。
在一些实施例中，多个传感器沿着第一平面间隔开，并且多个相应的特征间隔开，使得每个相应的特征与相应的传感器对准并且被定位在独有的相应的平行平面上，每个平面垂直于可变压缩比活塞的运动方向，使得一次仅由一个传感器感测一个特征。以这种方式，控制系统能够确定可变压缩比活塞的当前位置和/或能够将可变压缩比活塞移动到期望位置。
在一些实施例中，本发明进一步包括测量环境空气压力和/或用于调节发动机的操作以适应不同海拔的一种或更多种手段(比如海拔转盘)。在一些实施例中，调节发动机的操作的手段包括改变空气流动和/或燃料流动以适应不同的空气质量和/或混合物要求。
仍然参考图58-图61，本发明的一些实施例包括用于接收、储存和/或提供热能的一个或更多个插入件930。在一些实施例中，插入件930由一种或更多种具有优异传热特性的材料制成，比如黄铜、铜、钛、铝等。在一些实施例中，一个或更多个插入件930至少部分地嵌入到缸盖500、突起110和/或可变压缩比活塞900中，使得在燃烧之前瞬间和燃烧之后瞬间插入件930与凹部510内的流体热连通，从而导致在燃烧之前热能从插入件930移动到流体中并且在燃烧之后热能从流体移动到插入件930中。以这种方式，调节一个或更多个插入件930的尺寸、形状、位置和材料允许用户影响可以储存多少来自第一燃烧循环的热能以用于促进一个或更多个将来的燃烧循环。应当理解，在各个实施例中，插入件930的数量和位置将变化。在一些实施例中，插入件930位于不包括可变压缩比活塞的实施例的缸盖和/或活塞中。在一些实施例中，插入件930是插入到缸盖、活塞和/或可变压缩比活塞中的螺钉。在一些实施例中，插入件930是突出穿过活塞的铆钉。在一些实施例中，插入件930是位于缸盖内的垫圈或盘件。应当理解，在本发明构思的各个实施例中包括用于插入件930的其它形状和安装机构。
在一些实施例中，突起110的顶部表面限定凹形形状。在一些这样的实施例中，凹部510的顶部表面限定对应的凸形形状。在其它实施例中，突起110的顶部表面限定凸形形状。在一些这样的实施例中，凹部510的顶部表面限定对应的凹形形状
在一些实施例中，活塞100的主体的顶部表面限定凸形形状，而在其它实施例中，活塞100的主体的顶部表面限定凹形形状。在一些这样的实施例中，缸盖500的底部表面限定凹形形状，该凹形形状被构造成与活塞的主体的顶部表面的凸形形状对应。在其它这样的实施例中，缸盖500的底部表面限定凸形形状，该凸形形状被构造成与活塞的主体的顶部表面的凹形形状对应。应当理解，本发明构思的各个实施例包括彼此组合的凹形和凸形形状的各种变化排列以及与上述凹形和凸形表面组合的大致平坦的表面。在又一些实施例中，采用非弯曲形状。例如，在一些实施例中，突起包括与相对的三角或锥体形状的凹部接合的三角或锥体形状的突出部。在其它实施例中，采用方形或矩形形状的接头和凹部。在一些实施例中，突起110包括锥形形状，使得宽度从突起110的顶部向下朝向突起110的底部(在突起与活塞100的其余部分相交的点处)变窄成较窄的宽度。这样的锥形形状有助于减少或防止因与气缸盖的干涉造成的碳积聚。
在一些实施例中，活塞和/或缸盖的各个边缘被倒圆角、倒角或以其它方式弯曲，以造成空气由于主活塞的漏气而移动并产生“圆环”效应和/或有助于燃烧室内的卷动和翻滚。例如，在一些实施例中，在图9中的位置114被倒圆角。在一些实施例中，边缘104被倒圆角。在一些实施例中，边缘112被倒圆角。在一些实施例中，缸盖的边缘502被倒圆角。在一些实施例中，围绕突起110的活塞100的顶部表面102在形状上是凹形的，例如以形成杯状物。在其它实施例中，表面102在形状上是凸形的。
应当理解，各种突起110和对应的中心凹部510的尺寸和形状将在本发明的实施例中变化，以提供期望的压缩比和/或压力比与性能。在采用多个突起的一些实施例中，尺寸和形状改变，以形成不同的燃烧室，例如初级、二级、三级等。在这样的实施例中，体积将变化，以提供不同的压缩比和/或压力比。在一些实施例中，多个突起将具有不同的尺寸，但将具有相同的体积，以提供相同的压缩比和/或压力比。在一些实施例中，中心突起形成初级燃烧室，而围绕中心突起的其它突起形成次级(或三级等)燃烧室，并且其中剩余的燃烧室(例如，室700)是三级(或后续)燃烧室。在其它实施例中，围绕中心突起的一个或更多个突起将是初级燃烧室。进一步应当理解，缸膛和冲程以及其它发动机设计参数将变化，以优化、减少或增加用于不同类型燃料的设计。
本发明构思的一些实施例包括与上述活塞设计类似的相对的活塞设计。在一些这样的实施例中，存在单个主活塞，在一些实施例中，主活塞结合了上述可变压缩比活塞，该可变压缩比活塞与主活塞全都匹配在单个气缸内。在其它实施例中，相对的活塞在分开的相对的气缸内操作。在一些这样的实施例中，还采用可变压缩比活塞。
本发明构思的实施例通过在初级燃烧室中产生压缩点火并允许燃烧在活塞移动远离缸盖(从而增加体积)时传播到二级室来按需产生火焰和/或压力传播。
应当理解，本文公开的多阶和多阶段动态压缩点火燃烧发动机的实施例将包括不同数量的气缸(例如，1、2、4、6、8等)和不同的气缸排量。在本发明的一些实施例中，采用较少数量的气缸(例如2个气缸)以提供与通常在较多数量的气缸发动机(例如8个气缸)中发现的相同的总发动机排量。因为本发明构思允许完全压缩点火燃烧和/或按需的火焰和/或压力传播，所以气缸的缸膛尺寸可以按照期望来上下缩放，而不会在排放上有任何增加或在效率上有任何降低。在一些实施例中，采用相对的两个气缸结构来设计更高排量(例如4.0升，等)的发动机。这样的结构导致总体尺寸较小的发动机，以及制造中的材料和人力节省。
在本发明构思的一些实施例中，在活塞的顶部上(比如在发明构思的突起的顶部上)和/或在气缸盖上(比如在气缸顶部的中心附近)包括热量储存介质。在一些实施例中，热量储存介质被设计成保持热量并且变得比气缸或活塞的壁更热。在一些这样的实施例中，储存介质的增加的热量于是消散到压缩充质中，以辅助在储存介质附近的自动点火。在一些实施例中，热量储存介质是相对较小的金属片或具有合适的热力学性质(从而储存和释放热量来帮助自动点火，如所述)的材料。在一些实施例中，热量储存介质是施用至活塞和/或缸盖的表面的涂层。
在一些实施例中，陶瓷涂层、阳极处理涂层或者现在已知或以后发现的其它合适的耐热涂层或表面特征被添加到气缸盖和/或(多个)活塞表面，以改善耐热性并防止/最小化对构成活塞/缸盖的铝或其它材料的焚烧损害。
在一些实施例中，预加热器被包括在进气歧管上或与进气歧管相关联，以加热进入发动机的空气/燃料和/或水，从而帮助启动和性能。
在一些实施例中(参见例如图20至图22)，本发明构思的发动机包括围绕中心气门定位的偏置的进气门和排气门，所述中心气门与活塞的中心突起及其相关联的凹部相关联。在一些这样的实施例中，排气门位于发动机的右侧部和左侧部上，并且进气门与曲柄成直线。在一些这样的实施例中，排气端口从排气门向上延伸并且朝向相应的排气门的右侧部或左侧部延伸出来。排气门到进气门的偏置位置允许燃烧室内的平衡温度。在一些实施例中，气门的位置允许甚至更大的平衡，并且允许将来自燃烧的热量从气缸的中心和进气带走。在一些实施例中，被带走的热量用于预热进气。在其它实施例中，热量不用于预热进气。然而，应当理解，在采用偏置气门设计的其它实施例中，进气门位置和排气门位置是相反的。在一些实施例中，中心气门既用作进气门又用作排气门。在一些实施例中，根据气缸内期望的期望流动特性，所有气门位置能够是进气、排气和/或进气和排气二者。在各个实施例中，每个气门打开和关闭的次序、持续时间和/或时机不同并且被设计成实现气缸内的期望流动特性。应当理解，本发明构思的偏置气门设计将在各个实施例中用于压缩点火以及常规点火发动机。
参考图18A、图18B和图18C，本发明构思的一些实施例包括多级直接喷射器。喷射器包括“阶梯式”喷射器销，该喷射器销从其座部被向上少量地拉动以打开第一级，该第一级允许首先的最低量的流动。参考图18A，喷射器销1000处于壳体1200内的就座位置，其中将不发生流体流动。图18B示出了在喷射器销从就座位置移动以打开流体端口1100的第一级之后的喷射器销1000。当喷射器被进一步向上拉动时，该喷射器销通过其阶梯式设计而相继地打开更大的孔，以打开第二、第三、第四、第五级等，从而在每级逐渐增加流动的量。图18C示出了在喷射器销从图18B的第一级移动到打开另外的流体端口1100的第二级之后的喷射器销1000。如图18C所示，流体端口1100的第三级通过喷射器销1000保持关闭。在一些实施例中，沿着喷射器的每个级包括有O形环，以改进密封。在图18A、图18B和图18C所示的实施例中，示出了供给喷射器的单个燃料/流体线路。在其它实施例中，喷射器的每个级由分开的燃料线路供给。以这种方式，在一些实施例中使用喷射器通过每个级来供给不同的燃料类型或其它流体。例如，在一些实施例中(比如在牵引汽车中)，第一级喷射酒精，第二级喷射第一级的一氧化二氮，并且第三阶段喷射第二级的一氧化二氮。在一些实施例中，本发明构思的喷射器与汽化式发动机结合使用，而在其它实施例中，其用作燃料喷射系统的一部分。在一些实施例中，本发明构思的喷射器被用在涡轮风扇上。在其它实施例中，喷射器被用作塑料喷射器，例如用于塑料的多级喷射模制。在又一些实施例中，喷射器被用作油喷射器。在各个实施例中，本发明包括一个或更多个喷射器，比如一个或更多个直接燃料喷射器，其延伸穿过缸盖的壁进入一个或更多个室中。
参考图19A、图19B和图19C，示出了本发明构思的发动机的各个实施例，其包括蝶形气门465，该蝶形气门被设计成选择性地捕获热量和/或排出燃烧室内的气体以帮助压缩点火。图19A示出了本发明构思的双循环发动机的实施例，其中活塞用作选择性地阻挡进气口450和排气出口460的排气门和进气门，并且进一步包括在排气出口460内的蝶形气门465，以选择性地捕获热量和排出燃烧室内部的气体以帮助压缩点火。进气门400位于气缸盖的凹部510内，以减少和/或消除燃烧室的该部分内的捕获体积。在图19A所示发动机的存在单个排气端口的一些实施例中，蝶形气门465从不100％关闭。相反，气门部分地关闭以捕获排气的一部分并预热进气。在存在多个排气端口或线路的其它实施例中，蝶形气门465能够100％地关闭排气的一部分以提供期望的流动限制和/或预加热效果。图19B示出了一个实施例中的蝶形气门465，在该实施例中，活塞用作排气门，并且单独的进气门450与气门400一起使用。图19C示出了在双循环或四循环发动机的实施例中的蝶形气门465，在该实施例中，排气门与进气门450和400一起位于缸盖内。应当理解，与图19A至图19C中示出的初级室和二级室(三级室等)相比，在其它实施例中，蝶形气门465被用在仅包括单个燃烧室的发动机中。此外，尽管未在图19B和图19C中示出，但是应当理解，可变压缩比活塞900被包括在图19B和图19C的发明构思的各个实施例中。类似地，采用图19A的发明构思的各个实施例，但其中没有示出可变压缩比活塞900。
本文描述的本发明构思的各个实施例被包括在PCT/US2014/64866中所讨论类型的双气缸增压发动机中和/或采用多阶段动态压缩点火燃烧，该专利申请的全部公开内容用过引用并入本文。应当理解，本文公开的发明构思的各个实施例包括单个气缸、两个气缸和另外的气缸(例如3、4、5、6、7、8个气缸等)的结构，并且还包括具有和不具有任何类型的进气升压(例如，增压器和/或涡轮增压机)的结构(包括但不限于PCT/US2014/64866中公开的结构)。
参考图20和图21，本发明构思的示例性实施例被示出为三气缸式连体气缸发动机，其包括位于气缸300(以及301和302)内的三个活塞100，每个活塞包括从活塞主体的顶部突出的大致的中心突起110。气缸盖500包括在每个气缸内的大致的中心凹部510(以及511和512)，所述中心凹部被构造为匹配地接收每个气缸的活塞的突起110。活塞的中心突起110适于被滑动地接收在缸盖的中心凹部510(以及511和512)中。当活塞朝向上止点向上移动时，活塞的中心突起110滑动到缸盖的中心凹部510(以及511和512)中，从而形成初级燃烧室和二级燃烧室。在一些实施例中，初级燃烧室和二级燃烧室的相应体积设计成使得初级燃烧室的压缩比和/或压力比高于二级燃烧室的压缩比和/或压力比(在其它实施例中，正好相反)。以此方式，在活塞到达上止点时、之前或之后在初级燃烧室中获得了自动点火，而不会导致二级燃烧室内的自动点火。当活塞从上止点向下移动并且突起110移出缸盖的凹部510(以及511和512)时，允许由初级燃烧室内的燃烧产生的压力膨胀到二级燃烧室中，在第二燃烧室内引发燃烧、点火和/或燃烧点火。在一些实施例中，自动点火由通过初级燃烧室至二级燃烧室的漏气的压力传播引发，或者反之亦然。
关于每个气缸，中心进气门400(以及401和402)位于气缸盖的凹部510(以及511和512)内，以减少和/或消除燃烧室内的捕获体积，并且确保整个燃烧室(初级室和二级室)内的均匀的空气/燃料/EGR混合物。在所示的实施例中，另外的进气门410(以及420和430)和412(以及422和432)以及排气门415(以及425和435)和417(以及427和437)位于二级燃烧室区域中。在所示的实施例中，所有进气门(400、401、402、410、412、420、422、430和432)沿着发动机缸体的中心线定位。以这种方式，进气门412、420、422和430定位成紧邻并且邻近相邻活塞的气缸壁(这是形成热点的位置)。气门的位置和通过气门产生的空气流动允许热量在相邻气缸之间并且远离热点位置而渗透。遍及发动机的改进的热平衡允许更好地控制和使用压缩点火。应当理解，本发明构思的热平衡与单气缸和其它多个气缸的实施例(例如2个气缸、4个气缸等)结合使用。
参考图21，示出了双顶置凸轮布置。中心进气门400、401和402由顶置凸轮轴1600控制。二级燃烧室进气门410、412、420、422、430和432以及排气门417、417、425、425、435和437由直接位于顶置凸轮轴1600上方的顶置凸轮轴1700控制。摇臂715和710(与气缸301和302相关联的摇臂未示出)分别从凸轮轴1700延伸到排气门415和417。在其它实施例中，采用单个凸轮来控制所有气门。在再一些其它实施例中，采用三个或更多个凸轮。在一些三凸轮实施例中，中心凸轮轴控制中心进气门，而发动机的每个侧部上的凸轮控制发动机的该侧部上的相应气门。在再一些其它实施例中，利用机械、电子和/或液压控制器和/或它们组合来控制各个气门。应当理解，在各个实施例中，本文所示的一些或所有排气门被用作进气门，并且本文所示的一些或所有进气门被用作排气门。此外，在一些实施例中，取决于期望的发动机性能，同一气门既用作排气门又用作进气门。虽然图21中示出了双顶置凸轮，但在其它实施例中，采用单个凸轮来控制排气和进气。在其它实施例中，采用三个或更多个凸轮。在再一些其它实施例中，采用用于气门致动的其它机构。在一些实施例中，进气门是电子致动的，而排气门由凸轮机械地控制。尽管未在图21中示出，但是应当理解，在一些实施例中，可变压缩比活塞与图21所示的结构结合使用。
在一些实施例中，在单个气缸中示出的多个进气门(例如，图20)被控制为以交错模式打开，以帮助控制燃烧室内的空气/燃料/EGR混合物的卷动和翻滚。在进气门由凸轮控制的一些实施例中，气门开口彼此交错1-20度。在一些实施例中，以交错模式一次打开一个进气门。在其它实施例中，多个气门同时打开，其中另一个气门以交错模式打开。应理解的是，取决于燃烧室内的期望的扫动运动以及各部件的物理形状、尺寸和设计，该模式将在不同的实施例中变化。
参考图21，在示出的实施例中，活塞100(具有位于活塞100的中心处的突起110)的设计允许肘节销210在活塞的增加厚度(由于突起)的位置处将杆200附接到活塞。这增加了原本处于增加应力下的位置处的强度。此外，当活塞在气缸内上下移动时，活塞上的相对较高的连接允许更好地控制活塞和减小活塞松动。
在图20和图21所示的发动机的一些实施例中，进气歧管和排气歧管设计成使得排气线路的至少一部分物理接触或至少紧邻进气线路。以这种方式，采用排气线路来预热进气。在一些实施例中，采用与图19A、图19B和图19C中所示类似的蝶形气门将排出气体从排气歧管的与排气线路接触/接近的部分转移到排气歧管的远离进气线路定位的部分。以这种方式，可以利用气门选择性地接合和脱离预加热。在一些实施例中，气门位于歧管中的“T”部处，并且排气线路从大致平行于进气线路的端口出来，其中“T”部使排气向下并远离进气线路转移，或者当不被选择性地转移时，允许排出气体流动穿过歧管的平行于进气线路延续(并且与进气线路接触或紧邻)的部分。在一些实施例中，存在从发动机的每个侧部进入的分开的进气线路，以及在发动机的每个侧部上的排气线路，以提供平衡的热传递。在一些实施例中，发动机的每个侧部上的进气线路和排气线路是并排的(彼此物理接触或紧邻)并且朝向发动机的顶部向上弯折。进气线路在发动机的顶部处彼此交汇并连接在一起，并且在一些实施例中，燃料喷射器位于进气的顶部。在一些实施例中，排气线路也彼此交汇并且连接在一起并且在靠近相交点的单个排气管中向外流动。在其它实施例中，每个排气线路在发动机的顶部上方延续，并且沿着与其起源侧部相对的侧部向下并且然后从发动机向外延伸。在一些实施例中，进气歧管和排气歧管是螺栓连接在发动机缸盖上的单个模制零件或铸造零件。在一些实施例中，进气线路在发动机的顶部处汇集在一起。
参考图22，示出了包括本发明构思的多个突起的三气缸式连体气缸发动机的另一实施例的俯视平面图。除了突起110(其在图22中与凹部510a、511a和512a接合)之外，其它突起绕着活塞的顶部围绕突起110定位，并且与凹部510b、510c、510d和510e、511b、511c、511d和511e以及512b、512c、512d和512e接合。应理解的是，突起的数量、尺寸、形状和位置将在不同实施例中变化。在一些实施例中，每个突起具有不同的体积以提供不同的压缩结果(例如，形成初级燃烧室、二级燃烧室、三级燃烧室等)。在其它实施例中，每个突起的体积相等以在每个凹部内提供相同的压缩。
参考图23-图57，本发明的一些实施例包括定位在发动机缸体中(比如在扁平缸盖构造中)的一个或更多个气门。在一些实施例中，气门在发动机缸体中放置在活塞旁边，其中气缸盖中的凹部形成将气门连接到燃烧室的通道。在一些实施例中，气门位于活塞的一个侧部，和/或对于每个活塞仅采用一个进气门和一个排气门。在图23-图25所示的实施例中，两个排气门和两个进气门与每个气缸一起使用。在一些实施例中，一个进气门和一个排气门位于活塞的每个侧部上。在其它实施例中，两个进气门位于一个侧部上，并且两个排气门位于另一侧部上。在再一些其它的实施例中，单个气门是进气门，并且三个气门是排气门。在进一步的实施例中，单个气门是排气门，并且三个气门是进气门。在再一些其它的实施例中，多于2个气门位于活塞的每个侧部上，具有各种布置的进气和出气。在再进一步的实施例中，一些气门既用作进气又用作排气。
在图23-图25所示的实施例中，中心进气门(或在一些实施例中，排气门，或在一些实施例中，还有排气/进气门的组合)位于接收活塞的接头部分的凹部内。在一些实施例中，中心气门有助于减少和/或消除捕获体积。在一些实施例中，由于多个气门对活塞侧部的控制在燃烧室内形成有助于排空凹部的气旋作用，所以不需要中心气门来减小捕获体积。在一些实施例中，侧置气门仅位于活塞的一个侧部上。在一些这样的实施例中，除了凹部内的中心气门，只有单个进气门和单个排气门用于活塞的侧部。
在一些实施例中，发动机缸体包括定位在活塞的一个或更多个侧部上的一组或更多组侧置气门。在一些实施例中，一组三个气门中的中心气门是排气门，并且在该排气门的任一侧部上的气门是进气门，或者反之亦然。在其它实施例中，一组三个气门中的中心气门执行与该组的一个或更多个端部气门相同的功能(进气或排气)。在一些实施例中，气门沿着弧线(图26、图27)或其它曲线定位。在一些实施例中，气门沿着直线定位，比如以切向(图36)、倾斜(图38)或径向(图42)方向延伸的直线。
在一些实施例中，第一组气门中的中心气门是排气门，并且第二组气门中的对应中心气门是进气门。在一些实施例中，两个排气门和一个进气门邻近活塞的第一侧部定位，并且一个排气门和两个进气门邻近活塞的第二侧部定位，使得一半气门是排气门，并且另一半气门是进气门。在又一些实施例中，邻近活塞的第一侧部定位的每个气门都是排气门，并且邻近活塞的第二侧部定位的每个气门都是进气门。应当理解的是，其它实施例包括不同数量和/或构造的气门和/或不同尺寸的气门(例如，与各个附图中示出的尺寸不同和/或一系列气门内的至少一个气门在尺寸上不同于至少一个其它气门)。
在一些实施例中，对应的缸盖包括用于将一个或更多个气门或一系列气门连接到发动机缸体的一个或更多个燃烧室的一个或更多个凹部区域。在一些实施例中，一个或更多个凹部限定一个或更多个通道。在一些实施例中，第一和第二通道将相应的第一组气门和第二组气门连接到相应的第一燃烧室和第二燃烧室。在一些实施例中，第一和第二通道将第一组气门中的相应的第一气门和第二气门连接到相应的第一燃烧室和第二燃烧室。在一些实施例中，第一通道将第一气门连接到第一燃烧室，并且第二通道将第一燃烧室连接到第二气门和/或连接到第二燃烧室。
参考图42-图57，一些实施例包括沿着在径向方向上延伸的直线定位的两个或更多个气门。在一些这样的实施例中，限定第一直径的远侧气门大于近侧气门的第二直径。应当理解的是，其它构造包括沿着不同的线(或根本不沿着线)定位和/或具有不同的放置和/或不同的尺寸构造的气门。在一些实施例中，侧置气门位于发动机缸体的前侧部/飞轮侧部上。在一些实施例中，侧置气门位于发动机缸体的后侧部上。
在一些实施例中，远侧气门是进气门，并且近侧气门是排气门。在一些实施例中，进气门限定大于排气门的第二直径的第一直径。在其它实施例中，进气门与排气门尺寸相同。在再一些其它的实施例中，进气门小于排气门。在一些实施例中，气门以及通过气门产生的空气流动的位置允许和/或促进热量从发动机的一个或更多个热点位置渗走。在一些实施例中，遍及气缸的改进的热平衡允许和/或促进更好地控制和使用压缩点火。
在一些实施例中，活塞包括与缸盖中的中心凹部相关联的中心突起/接头。在一些实施例中，气门不被包括在中心凹部内。在一些实施例中，缸盖、缸体、气门和活塞被构造成提供足够的空气流动以消除和/或控制整个燃烧室内的捕获体积。在一些这样的实施例中，不需要中心凹部气门内的气门来消除和/或控制捕获体积。在一些实施例中，中心气门被包括在一些实施例中的中心凹部内以进一步控制捕获体积。
在各个实施例中，本发明构思的上述实施例中所述和所示的气门通过机械、电气、机电、液压、它们的组合和/或现在已知或以后发现的用于致动的其它机构来控制。虽然在上面的一些实施例中示出了凸轮和摇臂组件，但是应当理解，在其它实施例中，其它气门致动机构将与其中描述的本发明构思的相同或类似特征结合使用。在各个实施例中，取决于期望的设计和性能，进气门和排气门按顺序或不按顺序致动。
虽然本文未示出和描述，但是应当理解的是，本发明构思的连体气缸的各个实施例与本文公开的压缩点火的其它系统和方法的各个特征、组合和子组合一起使用。
在上文的描述中，某些术语是出于简洁、清楚和理解而使用的；然而除了现有技术的要求之外，并不从中推断出不必要的限制，因为这些术语用于描述目的并且旨在广泛地解释。此外，本发明的描述和说明是以示例的方式，并且本发明的范围不限于所示出或描述的确切细节。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明的前述详细描述，并且已经示出和描述了设想用于执行本发明的最佳模式，但是应当理解，可以在体现上述发明时进行某些改变、修改或变化，并且除了本文中具体阐述之外，可以由本领域技术人员实现其构造，而不脱离本发明的精神和范围，并且这些改变、修改或变化应被认为是在本发明的总体范围内。因此，覆盖本发明以及落入本文所公开和要求保护的基本原理的真实精神和范围内的任何和所有改变、修改、变化或等同物是可设想的。因此，本发明的范围仅旨在由所附权利要求限制，以上描述中包含的并在附图中示出的所有内容应被解释为说明性的，而非限制性的。
现在已经描述了本发明的特征、发现和原理，构成和使用本发明的方式、构造的特性以及所获得的有利的、新的和有用的结果；在所附权利要求中阐述新的和有用的结构、装置、元件、布置、部分和组合。
还应当理解，所附权利要求旨在覆盖本文所描述的本发明的所有一般和具体特征，以及作为语言主题的本发明范围的所有陈述可被认为落在它们之间。

Claims (19)

1.一种内部燃烧发动机，包括：
气缸；
第一活塞，所述第一活塞位于所述气缸内，所述第一活塞包括突起并且被构造成在上止点(“TDC”)构型与下止点(“BDC”)构型之间移动，从而限定所述第一活塞的冲程；以及
气缸盖，所述气缸盖将所述第一活塞封闭在所述气缸内，所述气缸盖包括与所述突起相关联的凹部，
其中，所述气缸、气缸盖和凹部限定具有初级室和二级室的燃烧室，并且
其中，所述发动机被构造成有助于双点火燃烧过程，当所述第一活塞移动远离TDC时，在所述初级室中发生第一点火过程并且在所述二级室中发生第二点火过程，
其中，所述第二点火过程包括流体从所述初级室膨胀到所述二级室中，
其中，所述发动机进一步包括第二活塞，
其中，当所述第一活塞处于TDC时，所述初级室限定第一体积，
其中，所述第二活塞是与所述初级室相关联的可变压缩比活塞，并且
其中，所述第二活塞能够在第一位置与第二位置之间移动，所述第二活塞的第一位置和第二位置分别与所述第一体积的最大值和最小值相关联，
所述发动机进一步包括在第一燃烧循环期间将所述第二活塞保持在第一位置的装置，该装置被配置为在第二燃烧循环期间选择性地将所述第二活塞保持在第二位置。
2.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括延伸到所述初级室中的火花塞，所述火花塞被构造为选择性地引发所述第一点火过程。
3.根据权利要求2所述的发动机，进一步包括延伸到所述初级室中的电热塞，所述电热塞被构造为选择性地引发所述第一点火过程。
4.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括延伸到所述初级室中的电热塞，所述电热塞被构造为选择性地引发所述第一点火过程。
5.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述第一点火过程是压缩点火过程。
6.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括连杆组件，所述连杆组件用于使所述第二活塞在其第一位置与第二位置之间移动，从而调整与所述初级室相关联的压缩比。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中，所述连杆组件被构造成将所述第二活塞选择性地固定在其第一位置、其第二位置或多个中间位置中的一个。
8.根据权利要求6所述的发动机，进一步包括控制系统，所述控制系统具有与所述第二活塞的相应的第一特征和第二特征相关联的第一传感器和第二传感器，使得当所述第二活塞处于相应的第一位置和第二位置时，所述第一传感器和第二传感器与相应的第一特征和第二特征对准。
9.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括控制系统，所述控制系统具有与所述第二活塞的相应的第一特征和第二特征相关联的第一传感器和第二传感器，使得当所述第二活塞处于相应的第一位置和第二位置时，所述第一传感器和第二传感器与相应的第一特征和第二特征对准。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中，所述控制系统进一步包括与所述第二活塞的中间特征相关联的中间传感器，使得当所述第二活塞处于相应的中间位置时，所述中间传感器与所述中间特征对准。
11.根据权利要求9所述的发动机，进一步包括至少部分地嵌入第一部件中的插入件，其中，所述第一部件是所述第一活塞、所述缸盖和所述第二活塞中的一个，其中，所述第一部件由第一材料形成，其中，所述插入件由具有优于所述第一材料的传热特性的传热特性的第二材料形成，并且其中，所述插入件定位和构造成与所述初级室热连通。
12.根据权利要求1所述的发动机，进一步包括至少部分地嵌入第一部件中的插入件，其中，所述第一部件是所述第一活塞、所述缸盖和所述第二活塞中的一个，其中，所述第一部件由第一材料形成，其中，所述插入件由具有优于所述第一材料的传热特性的传热特性的第二材料形成，并且其中，所述插入件定位和构造成与所述初级室热连通。
13.根据权利要求12所述的发动机，进一步包括多个插入件，每个插入件至少部分地嵌入在所述第一活塞、所述缸盖和所述第二活塞中的一个中。
14.根据权利要求1所述的发动机，其中，保持所述第二活塞的装置被配置为选择性地将所述第二活塞保持在第三位置，所述第三位置在所述第一位置与所述第二位置之间。
15.根据权利要求1所述的发动机，其中，保持所述第二活塞的装置为机械连杆。
16.根据权利要求15所述的发动机，其中，保持所述第二活塞的装置为机械连杆。
17.一种内部燃烧发动机，包括：
气缸；
第一活塞，所述第一活塞位于所述气缸内，所述第一活塞包括突起并且被构造成在上止点(“TDC”)构型与下止点(“BDC”)热传之间移动，从而限定所述第一活塞的冲程；
气缸盖，所述气缸盖将所述第一活塞封闭在所述气缸内，所述气缸盖包括与所述突起相关联的凹部；以及
第二活塞，
其中，所述气缸、气缸盖和凹部限定具有初级室和二级室的燃烧室，
其中，当所述第一活塞处于TDC时，所述初级室限定第一体积，
其中，所述第二活塞是与所述初级室相关联的可变压缩比活塞，并且
其中，所述第二活塞能够在第一位置与第二位置之间移动，所述第二活塞的第一位置和第二位置分别与所述第一体积的最大值和最小值相关联，
其中，所述第二活塞在第一燃烧循环期间保持在第一位置，并且在第二燃烧循环期间保持在第二位置。
18.根据权利要求17所述的发动机，进一步包括连杆组件，所述连杆组件用于使所述第二活塞在其第一位置与第二位置之间移动，从而调整与所述初级室相关联的压缩比。
19.根据权利要求18所述的发动机，进一步包括控制系统，所述控制系统具有与所述第二活塞的相应的第一特征和第二特征相关联的第一传感器和第二传感器，使得当所述第二活塞处于相应的第一位置和第二位置时，所述第一传感器和第二传感器与相应的第一特征和第二特征对准。
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