CN113366207A - 在气缸内产生气体的空气动力学运动的进气管件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于内燃机的气缸的进气管件(2)。管件包括用于使气体转向的装置，从而产生气体在气缸内的滚流型空气动力学运动。转向装置至少包括在管件的下部轮廓(12)上的“跃变”形状(6)和在进气管件(2)的上部轮廓(10)上的凹入区域。
Description
技术领域
本发明涉及用于内燃机的气体进气管的领域。具体地，本发明涉及允许在发动机气缸中产生空气动力学气体运动的气体进气管。
这类发动机一般包括至少一个气缸、活塞、以往复直线运动在该气缸内滑动的活塞、用于氧化剂的进气设备、经燃烧气体排气装置、燃烧室和用于注射燃料的注射装置。
众所周知，在设计发动机时，性能与污染物排放的相互约束越来越高，因此需要找到新的解决方案来提高最终的发动机效率。因此，提高燃烧效率对于限制排放以达到相同或更高的性能是关键的。因此，非常重要的是，燃烧室中存在的所有燃料都被氧化剂使用，其包括例如环境压力下的空气、增压空气或空气(无论是否增压)与再循环的经燃烧气体的混合物。
实际上，燃烧室内的燃料混合物(氧化剂/燃料)需要尽可能均匀。
此外，为了确保良好的效率和燃烧率，期望在燃料混合物点火时以及在随后的燃烧期间具有高湍流水平，并且更具体是具有高湍流动能水平。
这种高湍流水平可以通过特定的进气空气动力学、滚流(气缸中的气体围绕纵向发动机轴线的旋转运动)或涡滚(swumble)来获得。后一种类型的空气动力学特征在于，燃料混合物的宏观运动是涡旋(气缸中的气体围绕气缸轴线的旋转运动)和滚流(气缸中的气体围绕纵向发动机轴线、通常垂直于气缸轴线的旋转运动)的组合。
涡旋是燃料混合物围绕与气缸轴线共线的轴线的宏观旋转运动，其特征在于在进气过程中、并且更具体是在活塞上升期间的良好的运动保持性。这是一种通常用于压燃式内燃机的空气动力学宏观运动，它是一种使燃料混合物均匀化的良好的方法。
滚流也是燃料混合物的宏观旋转运动，但是围绕的轴线总体上垂直于气缸轴线。它的具体特征是转变成微观空气动力学运动，该空气动力学运动随着活塞上升而产生湍流。这是一种通常用于火花点火式内燃机的空气动力学宏观运动，它是一种获得合适燃烧率的良好方法。此外，该运动在扩散以及最大升程高度方面对燃烧室的几何形状和升程定律非常敏感。
由于在压缩阶段的湍流程度高于用当前最好的火花点火式发动机所观察到的湍流程度，因此使用涡滚可以从上面详述的两个空气动力学结构的优点中受益，并因此而受益于出色的均质化和更好的燃烧率。
背景技术
已经发展了各种技术方案来实现气缸中的这些湍流流动。
特别地，US-6,606,975中描述了第一种解决方案。该解决方案在于控制设置在进气管中的瓣片从而产生湍流。该专利还提到了低负载涡滚的概念。这种解决方案复杂，并且不利于气缸填充。
特别地，US-5,056,486中描述了第二种解决方案。该解决方案提供了允许产生复杂空气动力学的不对称进气管的定义。然而，这种解决方案需要进气阀的打开的相移，这在高负荷时是不利的。
特别地，在专利申请DE-10,128,500和EP-1,783,341中描述了第三种解决方案。这种解决方案允许借助于进气管中的被动(无源)或主动(有源)附件来产生复杂的空气动力学。在这两种情况下，这些附件均限制了气缸填充气体。此外，主动附件需要控制系统，使得解决方案更为复杂。
发明内容
为了克服这些缺点，本发明涉及一种用于热学发动机的气缸的进气设备。管包括用于使气体转向的装置，从而使气体在气缸内产生滚流式空气动力学运动。转向装置至少包括在管的下部轮廓(内弧面)上的“斜坡”形状和在管的上部轮廓(外弧面)上的凹入区。本发明的目的是在管中不设置瓣片、没有进气管开口相移并且进气管中没有被动(无源)或主动(有源)附件的情况下，使气缸中的气体产生滚流型空气动力学运动。“斜坡”被理解为促进气流从下部轮廓脱开的元件。这种斜坡形状和这种凹入区的尺寸确定为从而产生高速气体流，这实现了随后产生无缺陷的滚流型湍流。根据本发明的管还在滚流型空气动力学气体运动和气缸填充之间提供了值得关注的折衷。
本发明还涉及这样的进气管，它具有还用于产生涡旋(并因此产生涡滚)的装置。
本发明涉及一种用于内燃机的气缸的气体进气管，所述进气管包括用于使所述气体转向的装置，从而产生所述气体在所述气缸内围绕基本垂直于所述气缸轴线的轴线的空气动力学运动，所述转向装置包括在所述进气管的下部轮廓上的斜坡形状，以及在所述进气管的上部轮廓上的凹入形状，所述进气管的所述下部轮廓和上部轮廓在所述进气管的使用位置中进行定义。形成所述斜坡的下部轮廓的曲率半径小于40mm，而所述上部轮廓的所述凹入形状包括中间区以及最终区，中间区的曲率半径在50至150mm之间，最终区的曲率半径在10至100mm之间，所述最终区面向所述下部轮廓的所述斜坡形状。
根据一实施例，形成所述斜坡的所述下部轮廓的曲率半径范围在20至30mm之间、优选地在25至27mm之间。
根据一实施形式，所述中间区的所述曲率半径范围在100至130mm之间。
根据一方面，所述最终区的所述曲率半径范围在60至70mm之间。
根据一实施形式，所述下部轮廓包括具有凹入形状的初始区，其曲率半径范围在200至350mm之间，优选在230至300mm之间，更优选在270至280mm之间。
有利地，所述斜坡形状的弧长范围在所述下部轮廓的所述初始区的所述凹入形状的弧长的6％至9％之间，优选地，其基本上对应于所述下部轮廓的所述初始区的所述凹入形状的弧长的十三分之一。
根据一实施形式，所述上部轮廓包括凸出形状的初始区，并且优选地所述上部轮廓的所述初始区的曲率半径大于或等于400mm。
优选地，所述上部轮廓的所述初始区的弧长基本上等于所述上部轮廓的所述中间区和最终区的弧长之和。
有利地，所述进气管的最大横截面积与最小横截面积之比的范围在1至2之间，优选为1.5。
根据一方面，用于使所述气体转向的所述装置还具有所述进气管的倾斜，所述倾斜由所述进气管与所述进气管的出口的相交点的切线的角度β定义，所述角度的范围在0°至45°之间，优选在5°至45°之间。
根据一特征，所述进气管包括用于产生在所述气缸内所述气体围绕一轴线的空气动力学运动，该轴线平行于所述气缸的轴线。
本发明还涉及一种用于内燃机的气缸的进气设备，所述进气设备包括根据上述特征中的一项的进气管；设置在所述进气管内的至少一个进气阀；设置在所述进气管的一端处并且指向所述气缸的火焰面的所述进气阀的至少一个校准部分。在所述进气管的所述下部轮廓处，所述进气管与所述进气阀的所述校准部分之间的相交部位于相对于与所述气缸的所述火焰面平行的平面形成范围在5°至45°之间的角度α的母线上，所述平面穿过所述进气管与所述校准部分之间的相交点。
根据一方面，所述角度α范围在5°至20°之间、优选地在8°至15°之间。
此外，本发明涉及一种内燃机，包括设有至少一个根据上述特征中的一项的进气管的至少一个气缸、至少一个排气管和燃料注射装置。
此外，本发明涉及根据上述特征中的一项的内燃机在米勒循环(cycle deMiller)或阿特金森循环(cycle d’Atkinson)中的用途。
附图说明
根据本发明的设备的其它特征和优点将从参照附图、阅读以非限制性示例的方式给出的以下描述中变得明了，附图中：
-图1示出处于其运行位置中的根据本发明的一实施例的进气管，
-图2示出处于其运行位置中的根据本发明的一实施例的进气管的参数化，
-图3示出处于其运行位置中的、根据本发明的第一变型实施例和第二变型实施例的气体进气设备的内弧面的图；
-图4示出处于其运行位置中的、根据本发明的一实施例的内燃机的气缸，
-图5是对于根据现有技术的进气管和根据本发明的管的滚流可渗透性折衷的图表，
-图6示出了在标准定律范围内根据本发明的第一变型实施例的进气设备和根据本发明的第二变型实施例的进气设备的滚流数、湍流动能(TKE)、涡旋数的曲线，
-图7示出了在米勒定律范围内根据本发明的第一变型实施例的进气设备和根据本发明的第二变型实施例的进气设备的滚流数、湍流动能(TKE)、涡旋数的曲线，以及
-图8是进气管截面根据测量平面关于进气管入口的距离的演变的曲线。
具体实施形式
本发明涉及一种用于内燃机的气缸的进气管。这种进气管包括气体通过其流入的入口和气体通过其流出并流入气缸的出口。
根据本发明，进气管包括用于使气体转向的装置，从而产生在气缸内气体围绕大致垂直于气缸轴线的轴线的空气动力学运动。换言之，进气管包括用于产生气缸中气体的滚流型空气动力学运动的装置。应注意的是，滚流的具体特征是转变成微观空气动力学运动，该空气动力学运动随着活塞上升而产生湍流。这是一种通常用于火花点火式内燃机的空气动力学宏观运动，它是一种获得合适燃烧率的良好方法。此外，该运动在扩散以及最大升程高度方面对燃烧室的几何形状和升程定律非常敏感。
进气管包括在进气管的工作位置中限定的下部轮廓(内弧面，intrados)和上部轮廓(外弧面，extrados)。下部轮廓和上部轮廓通过两个侧壁连接。
气体转向装置包括在进气管的下部轮廓(内弧面)上的凹入形状和进气管的上部轮廓(外弧面)的凹入形状的“斜坡”。斜坡形状促进进气管中气流的分离，并将其送到进气管的上部部分，从而送到气缸的上部部分，以使气体的空气动力学滚流型运动最大化。上部轮廓的凹入形状基于进气管促进气体速度增加的汇聚的形状此外，该斜坡形状和上部轮廓的凹形的结合提供了滚流类型空气动力学气体运动，而无需任何特定的罩、瓣片或叶片型附件。
下部轮廓的斜坡形状以具有半径小于或等于40mm的曲率半径的下部轮廓的弯曲来实现的。上部轮廓的凹形是借助沿气体流动方向的两个连续的凹入区来实现的，分别称为中间区和最终区。在进气管内，上部轮廓的最后区面向下部轮廓的斜坡形状。这个区被称为“最终区”，因为它位于进气管出口处。最终区的曲率半径范围在10至100mm之间，而中间区的曲率半径范围在50至150mm之间。
斜坡形状和具有特定尺寸的凹入区结合实现了产生高速气体流，这随后实现了产生无缺陷的滚流型湍流。根据本发明的进气管还提供了良好的滚流式气缸充填折衷(方案)。
有利地，最终区的曲率半径可以小于中间区的曲率半径，因此，由于横截面积减少，进气管内的气体速度增加。
优选地，为了改善斜坡效果而不限制气缸的充填，斜坡形状的半径可以范围在20至30mm之间，且更优选地它可以范围在25至27mm之间。事实上，斜坡区的曲率半径越小，进气管就越能促进滚流型空气动力学气体运动的产生，而不利于气缸的充填；另一方面，斜坡区的曲率半径越大，进气管就越能促进气缸的充填，而不利于滚流型空气动力学气体运动的产生。
有利地，上部轮廓的中间区的曲率半径可以范围在100至300mm之间。该范围实现了对汇聚效应产生的优化。
有利地，上部轮廓的最终区的曲率半径可以范围在60至70mm之间。该范围也实现了对汇聚效应产生的优化。
根据本发明的一实施例，进气管的下部轮廓(内弧面)可包括凹入形状的初始区。这个区被称为“初始区”，因为它靠近进气管入口。下部轮廓的初始区决定了管的大致形状，并且影响进气管的诸如充填和牢固性之类的参数。紧接着初始区的是斜坡形区。
对于该实施例，下部轮廓的初始区的曲率半径可以范围在200至350mm之间，优选在230至300mm之间，更优选在270至280mm之间。这些数值范围允许对进气管的充填和牢固性进行优化。
此外，对于该实施例，斜坡形状的弧长可以范围在下部轮廓的凹入形状的初始区的弧长的6％至9％之间，优选地，斜坡形状的弧长可以大致对应于下部轮廓的凹入形状的初始区的弧长的十三分之一。那么，就产生滚流型空气动力学气体运动而言，下部轮廓的弧长之间的比率是理想的。
根据本发明的一实施形式，进气管的上部轮廓(外弧面)可包括凸出形状的初始区(沿气体通过进气管的流动方向)。这个区被称为“初始区”，因为它靠近进气管入口。上部轮廓的凸出的初始区决定了进气管的入口部段。优选地，上部轮廓的初始区在几何形状上与下部轮廓的初始区相似。紧接初始区的是中间区，而紧接中间区的是最终区。对于本发明的这一实施形式，上部轮廓包括具有不同曲率半径的三个区。
对于本发明的这一实施形式，上部轮廓的凸出形状的初始区的曲率半径可以大于400mm，使得它是大的。
此外，对于本发明的这一实施形式，凸出的初始区的弧长可以基本等于上部轮廓的中间区和最终区的弧长之和。那么，就产生滚流型空气动力学气体运动而言，上部轮廓的弧长之间的比率是理想的。
根据本发明的一个方面，管的汇聚性，即进气管横截面积的演变可以选择为使得进气管的最大横截面积与进气管的最小横截面积之比范围在1到2之间，优选是1.5。因此就可能形成“干净”的滚流。
根据本发明的一方面，进气管的横截面积可具有基本上矩形的形状、带有倒圆的角部。在这种情况下，进气管和阀的校准部分的相交部由四个边缘构成：一个在内弧面侧上、一个在外弧面侧上以及两个横向(侧向)的。
根据本发明的一特征，在进气管的运行位置中，进气管的横截面积中的形状可以包括在其下部区域中的水平的直的部分。这种形状促进涡滚型空气动力运动的产生。
根据一示例实施例，气体转向装置还可包括进气管的倾斜。该进气管倾斜可以由与进气管与校准部分的相交点的切线的角度β限定，倾斜范围在0°至45°之间，优选在5°至45°之间。该倾斜可以与气缸的燃烧室的上部部分的斜率耦合。进气管倾斜允许流入气缸的气体流倾斜，从而产生滚流型空气动力学气体运动。例如，可以通过角度β与燃烧室的上部部分的斜率角度之间的切线来获得滚流型空气动力学气体运动的优化。
根据本发明一实施例，进气管还可包括用于产生在气缸内围绕与气缸轴线共线的一轴线的空气动力学气体运动。换言之，进气管可包括用于产生涡旋型空气动力学运动的装置。因此，结合用于产生滚流型空气动力学气体运动，该实施例允许产生涡滚型空气动力学气体运动。
应注意的是，涡旋特征在于在进气过程期间，更具体地说，在活塞上升期间，气体-燃料混合物的良好保持性。这是一种通常用于压燃式内燃机的空气动力学宏观运动，它是一种使燃料混合物均匀化的良好的方法。
由于在压缩阶段的湍流程度高于用当前最好的火花点火式发动机所观察到的湍流程度，因此使用涡滚可以从滚流型和涡旋型这两种空气动力学结构的优点中受益，并因此而受益于出色的均质化和更好的燃烧率。
此外，本发明涉及一种用于内燃机的气缸的进气设备。
所述进气设备包括：
-根据上述变型组合中的任一种的气体进气管，用于将气体供应到气缸，即，具有用于产生滚流型并且如果需要产生涡滚型空气动力学运动的气体转向装置，
-进气阀，所述进气阀插入在所述进气管中，阀的开口允许气体流入所述气缸，以及
-进气阀校准部分，所述进气阀校准部分设置在所述进气阀的在气缸侧上的端部处，所述校准部分指向所述气缸的火焰面(燃烧面)，所述进气阀校准部分是所述阀在其中移动的、基本上圆柱形的机械部件。
火焰面或燃烧面应理解为(内燃机的)气缸盖的与气缸轴线正交的下平面。阀校准部分插入在气缸盖的下平面中从而向气缸供应气体。
根据本发明的一实施例，进气设备形成为使得在所述进气管的内弧面(下部轮廓)处，进气管与阀校准部分之间的相交部位于相对于平行于火焰面并穿过进气管与阀校准部分之间的相交点的平面形成范围在5°至45°之间的角度α的母线上。进气管的内弧面应理解为进气管的下(表)面。因此，进气管的下面与阀校准部分的相交部相对于与火焰面平行的平面倾斜。该倾斜允许气体在校准部分入口处转向，更确切的是，在气缸入口处转向。该气体转向在气缸中沿平行于气缸轴线的方向产生空气动力学气体运动，换句话说，是涡旋型空气动力学气体运动。这种倾斜可导致进气管在其端部旋转(则进气管的端部扭曲)，这促进了气体的涡旋型空气动力学运动。此外，该实施例允许产生涡旋型空气动力学气体运动，而无需任何特定的罩、瓣片或叶片型附件。此外，这些进气设备的结构不涉及用于在单缸或多缸内燃机的气缸盖内的布置的附加约束。
以在5°至45°之间的范围中的角度α倾斜允许产生涡流型空气动力学气体运动。低于5°，倾斜不足以对气缸中气体的空气动力学运动产生显著影响。高于45°，进气管的几何形状复杂且难以实现，并且气体空气动力学劣化。
通过结合滚流型和涡旋型空气动力学气体运动，根据本发明的进气设备提供了气缸中气体的涡滚型空气动力学运动，由于在压缩阶段期间比在当前最好的火花点火式发动机中观察到的更高的湍流水平，气体的涡滚型空气动力学运动允许受益于优异的均质性和更好的燃烧率。
根据本发明的一实施例，角度α的范围可在5°至20°之间,优选地在8°至15°之间。这些角度范围允许优化涡旋型空气动力学气体运动，并因此优化结合的涡滚型空气动力学气体运动。
根据本发明的一实施形式，校准部分可包括部分覆盖校准部分出口的罩，从而对气缸中的气体定向，并且因此促进气体的空气动力学运动。
气体是氧化剂或燃料混合物(间接注射)，并且它特别可以包括环境压力下的空气、增压空气或空气(增压或非增压)与经燃烧气体的混合物。
作为非限制性示例，图1示意地示出根据本发明的一实施例的、处于运行模式位置中的进气设备。图1是侧视图。进气设备1包括进气管2、阀(未示出)和用于进气阀的校准部分4。
进气管2具有上部轮廓10(外弧面)和下部轮廓12(内弧面)上部轮廓10和下部轮廓12通过两个侧壁15连接。上部轮廓和下部轮廓的各个区由带有点P1至P7的粗线限定。
下部轮廓12包括在进气管出口处形成凹入形状的斜坡6的区，其由点P1和P2界定。这个区的曲率半径R1小于40mm，例如，它等于26mm。下部轮廓12还包括凹入形状的初始区11，其由点P2和P3界定。这个区的曲率半径R5范围在200至350mm之间，例如，它等于275mm。
上部轮廓10包括在进气管出口处的凹入形状的最终区，其由点P4和P5界定。该最终区的曲率半径R2范围在10至100mm之间，例如，它等于65mm。上部轮廓10还包括凹入形状的中间区8，其由点P5和P6界定。该中间区的曲率半径R3范围在50至150mm之间，例如，它等于115mm。上部轮廓10附加地包括凸出形状的初始区9，其由点P6和P7界定。该初始区的曲率半径R4大于400mm，例如，它等于500mm。
图2是本发明的一实施例的类似于图1的视图。对于该实施例，用于产生涡滚型空气动力学气体运动的气体转向装置还包括进气管2的倾斜(度)，该倾斜(度)为进气管2与校准部分4的相交点的切线的方向XX与水平方向AA之间的角度β。该倾斜促进了气体的滚流型空气动力学运动。
作为非限制性示例，图3示意性示出气体进气设备的内弧面(下面)的视图。图3是在垂直于火焰面的平面中。左侧的图对应于根据本发明的第一变型实施例的装置，该装置仅具有用于产生气体的滚流型空气动力学运动的气体转向装置。右侧的图对应于根据本发明的第二变型实施例的装置，该装置具有用于产生气体的滚流型空气动力学运动的气体转向装置，并且具有进气管与阀校准部分之间的相交部的倾斜，用于产生涡流型空气动力学气体运动。
在这些附图中，线FF术语火焰面的平面(由气缸限定，未示出)，而方向F’F’是属于平行于穿过进气管2与进气阀校准部分4之间的相交点的火焰面FF的平面的线。
根据左侧附图所示的第一变型实施例，进气管2与进气阀校准部分4之间的相交部7与线F’F’合并。
另一方面，根据右侧附图中所示的第二变型实施例，进气管2与进气阀校准部分4之间的相交部7由轴线YY的母线承载，该轴线YY相对于线F’F’以角度α倾斜。该角度α的范围在5°至45°之间。在右侧附图中可以看出，这种倾斜在连接部附近产生进气管2的略微旋转，其具有大致矩形的横截面。
图8是一条曲线，对于本发明的一个示例实施例，其根据截面关于进气管入口的距离D示出截面比RS。截面比RS对应于关于入口处的进气管的截面面积考虑的截面面积。距离进行了标准化：距离0对应于进气管的入口，而距离1对应于进气管的出口。这条曲线显示了最初的准稳定性，然后是截面比的下降，这主要是由于斜坡形状和上部轮廓的最终区，然后是在进气管出口处急剧的截面比增加。对于这个示例，进气管的最大截面与最小截面之比为约1.8。
本发明也涉及一种组件，该组件包括内燃机的气缸和根据上文所述的变型之一或变型组合的进气设备。
此外，本发明涉及根据上述变型之一或变型组合的气缸进气设备组件，用于向气缸供应气体。
此外，本发明涉及一种包括至少一个气缸的内燃机，每个气缸设有：
-根据上述变型之一或变型组合的至少一个进气设备，用于向气缸供应气体，
-至少一个排气装置，用于从气缸中排出经燃烧气体，排气装置有利地配备有排气阀，
-活塞，其在气缸中具有往复直线平移运动，用于(通过曲柄旋转)从燃烧中产生机械能，
-燃料注射装置，用于产生燃烧。
根据一实施例，燃料注射装置可以是直接注射装置，即，燃料注射装置直接设置在气缸中。
替代地，燃料注射装置可以是间接注射装置，即，燃料注射装置设置在进气设备中。
根据本发明的一实施形式，内燃机是火花点火式发动机。在这种情况下，发动机还包括用于产生气体/燃料混合物的燃烧的至少一个塞。
替代地，内燃机是压燃式发动机。在这种情况下，发动机不包括用于产生气体/燃料混合物的燃烧的塞。
根据本发明的一方面，当气缸包括两个进气管时，这两个管可以是相同的并且相对于燃烧室的中间面平行。
在一个变型中，各气缸可借助连体式(暹罗式)进气设备供应有气体。
内燃机可包括多个气缸，特别是三个、四个、五个或六个气缸。
缸径可具有任何尺寸。然而，本发明特别适合于约75mm的缸径。
作为非限制性示例，图4示意性示出根据本发明一实施例的、处于运行模式位置终的内燃机的气缸的局部视图。活塞(未示出)在其中移动的气缸13包括燃烧室14。进气设备1，特别是阀校准部分4，通入燃烧室14。排气装置(未示出)也设置在燃烧室14中。
气缸13的轴向方向由CC标示。该附图还示出了垂直于轴线CC的火焰面FF，火焰面FF对应于内燃机的气缸盖(未示出)的下部部分。
进气设备1与图1、图2和图3所示的进气设备相同，并且它特别地包括进气管2、阀3和阀校准部分4。
此外，本发明涉及根据上述变型之一或变型组合的内燃机结合米勒循环或阿特金森循环的用途。
米勒循环是一种热力学循环，特征在于在进气阶段期间(一个或多个)进气阀在活塞的下止点之前关闭。这除了冷却允许进入的装料之外也提供了增加的功恢复。由于气体的涡滚型空气动力学运动的产生，根据本发明的进气设备特别适于在较宽的允许范围上在所谓的“米勒循环”中使用。
阿特金森循环是特别在可变燃烧发动机中使用的热力学循环。
根据本发明的内燃机可在嵌入式应用场合的领域中使用，诸如陆运、海运或空运，或在静止安装的领域中使用，诸如发电机组。
示例
通过阅读下面的本申请示例，根据本发明的进气管的特征和优点将会明了。
图5是根据可渗透性系数Cf的滚流系数的图表。滚流系数定义为气体沿x方向(垂直于气缸轴线的方向)围绕质心的角速度与曲柄的角速度的笔直，而可渗透性系数对应于进气管允许空气流通过的能力关于可用的横截面积的比值。可渗透性系数因此与气缸填充相关。在图中，市场上可获得的进气管AA(根据现有技术)用三角形表示，而根据本发明的进气管INV用方形表示。可以看出，与现有技术中AA的方案相比，根据本发明的进气管INV在高滚流系数与可渗透性系数之间提供了更好的折衷。实际上，对于相同的可渗透性系数Cf，用根据本发明的进气管获得的滚流系数是根据现有技术的进气管的滚流系数的两倍。
对于第二示例，将配备有根据第一变型的进气设备的、仅具有气体的滚流型空气动力学运动的内燃机(对应于图3a左侧)的特征与配备有根据第二变型的进气设备的、且具有气体的涡滚型空气动力学运动的相同内燃机(对应于图3b右侧)的特征进行比较。对于该示例，角度α的值为15°。
图6示出了对于从进气下止点(360°)到压缩上止点(720°)的发动机循环的一部分，根据曲柄角°Vil的滚流数T(左上)、湍流动能TKE(右上)和涡旋数S(左下)的曲线。右下图示出了在压缩上止点(720°曲柄角)之后发生的、燃烧附近的曲柄角°Vil的减小的角度范围区域的湍流动能TKE。沿x方向的滚流数定义为围绕质心的、沿x方向(垂直于气缸轴线的方向)的气体的角速度与曲柄角的速度之比。涡旋数定义为围绕质心的、沿气缸轴线方向的气体的角速度与曲柄的角速度之比。滚流数和涡滚数是无量纲数。
图6涉及标准循环。在这些附图中，对应于配备有根据第一变型的进气设备的内燃机的曲线由INV1标示，而对应于配备有根据本发明的第二变型的进气设备的内燃机的曲线由INV2标示。
湍流动能TKE代表“被捕获”在空气质量中的能量的量。
在这些图中注意到，两个进气设备允许产生滚流型空气动力学运动(高滚流数T)。此外，注意到，对于第二变型的进气设备INV2，涡旋数S高得多。因此，进气管与校准部分之间的相交部的倾斜有效地允许产生涡旋型空气动力学运动。因此，根据第二变型的设备有效地允许产生涡滚(滚流和涡旋)型空气动力学运动。此外，注意到，根据第二变型的进气设备通过允许增加燃烧之前的湍流量能而相对于第一变型提供了湍流动能TEK增益。
图7示出了对于从进气下止点(360°)到压缩上止点(720°)的发动机循环的一部分，根据曲柄角°Vil的滚流数T(左上)、湍流动能TKE(右上)和涡旋数S(左下)的曲线。右下图示出了在压缩上止点(720°曲柄角)之后发生的、燃烧附近的曲柄角°Vil的减小的角度范围区域的湍流动能TKE。图7涉及米勒循环。在这些附图中，对应于配备有根据第一变型的进气设备的内燃机的曲线由INV1标示，而对应于配备有根据第二变型的进气设备的内燃机的曲线由INV2标示。
在这些图中注意到，两个进气设备允许产生滚流型空气动力学气体运动(高滚流数T)。此外，注意到，对于根据第二变型的进气设备INV2，涡旋数S高得多。因此，进气管与校准部分之间的相交部的倾斜有效地允许产生涡旋型空气动力学气体运动。因此，根据第二变型的设备有效地允许产生涡滚(滚流和涡旋)型空气动力学运动。此外，注意到，根据第一变型的进气设备通过允许增加燃烧之前的湍流能量而相对于第二变型提供了湍流动能TEK增益。
因此，涡旋型空气动力学气体运动的产生允许在发动机循环的进气期间更好地保存空气动力学运动中所包含的能量。因此，引起燃烧的湍流水平高于纯滚流型管，特别是对于适合于米勒循环运行的升力定律。
使用根据本发明的进气设备获得了明显的燃烧效率增益。此外，这些进气设备的结构不涉及用于在单缸或多缸内燃机的气缸盖内的设置的附加约束，这相对于用于产生涡滚的现有技术方案是显著的优势。
Claims (15)
1.一种用于内燃机的气缸的气体进气管，所述进气管(2)包括用于使所述气体转向的装置，从而产生所述气体在所述气缸内围绕基本垂直于所述气缸轴线的轴线的空气动力学运动，所述转向装置包括在所述进气管(2)的下部轮廓(12)上的斜坡形状，以及在所述进气管(2)的上部轮廓(10)上的凹入形状，所述进气管(2)的所述下部轮廓(12)和所述上部轮廓(10)在所述进气管(2)的使用的位置中进行界定，其特征在于，形成所述斜坡(6)的所述下部轮廓(12)的曲率半径R1小于40mm，并且所述上部轮廓的所述凹入形状包括中间区(8)以及最终区(5)，所述中间区的曲率半径R3范围在50至150mm之间，所述最终区的曲率半径R2范围在10至100mm之间，所述最终区(5)面向所述下部轮廓(12)的所述斜坡形状。
2.如权利要求1所述的进气管，其特征在于，形成所述斜坡的所述下部轮廓的曲率半径R1范围在20至30mm之间、优选在25至27mm之间。
3.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，所述中间区(8)的所述曲率半径R3范围在100至130mm之间。
4.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，所述最终区(5)的所述曲率半径R2范围在60至70mm之间。
5.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，所述下部轮廓(12)包括具有凹入形状的初始区(11)，所述初始区曲率半径R5范围在200至350mm之间，优选在230至300mm之间，更优选在270至280mm之间。
6.如权利要求5所述的进气管，其特征在于，所述斜坡形状(6)的弧长范围在所述下部轮廓(12)的所述初始区(11)的所述凹入形状的弧长的6％至9％之间，优选地，它基本上对应于所述下部轮廓(12)的所述初始区(11)的所述凹入形状的弧长的十三分之一。
7.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，所述上部轮廓(10)包括凸出形状的初始区(9)，并且优选地所述上部轮廓(10)的所述初始区(9)的曲率半径R4大于或等于400mm。
8.如权利要求7所述的进气管，其特征在于，所述上部轮廓(10)的所述初始区(9)的弧长基本上等于所述上部轮廓(10)的所述中间区(8)和所述最终区(5)的弧长之和。
9.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，所述进气管(2)的最大横截面积与最小横截面积的比值的范围在1至2之间，并且所述比值优选为1.5。
10.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，用于使所述气体转向的所述转向装置还包括所述进气管(2)的倾斜，所述倾斜由所述进气管(2)与所述校准部分(2)的出口相交点的切线的角度β限定，所述角度β的范围在0°至45°之间，优选在5°至45°之间。
11.如前述权利要求中任一项所述的进气管，其特征在于，所述进气管(2)包括用于产生在所述气缸内所述气体围绕平行于所述气缸轴线的轴线的空气动力学运动。
12.一种用于内燃机的气缸的气体进气设备，所述进气设备(1)包括如前述权利要求中任一项所述的进气管(2)；设置在所述进气管(2)内的至少一个进气阀(3)；所述进气阀(3)的至少一个校准部分(4)，所述校准部分设置在所述进气管(2)的一端部处并且指向所述气缸的火焰面(FF)，其特征在于，在所述进气管(2)的所述下部轮廓上，所述进气管(2)与所述进气阀(3)的所述校准部分(4)之间的相交部(7)在母线(YY)上，所述母线相对于穿过所述进气管(2)与所述校准部分(4)之间的所述相交部(7)的点的、平行于所述气缸的所述火焰面(FF)的平面(F’F’)成范围在5°至45°之间的角度α。
13.如权利要求12所述的进气设备，其特征在于，所述角度α范围在5°至20°之间、优选在8°至15°之间。
14.一种内燃机，包括设有至少一个如权利要求1至11中任一项所述的进气管(2)的至少一个气缸、包括至少一个排气管和燃料注射装置。
15.一种如权利要求14所述的内燃机用于米勒循环或阿特金森循环的用途。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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