內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括容納于氣缸內(nèi)的活塞，該氣缸包括進(jìn)氣管道和排氣管道，其中，進(jìn)氣管道用于引入燃料和空氣混合物，排氣管道用于釋放排放氣體。在四沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)活塞的向下運(yùn)動(dòng)經(jīng)由進(jìn)氣管道吸入空氣和燃料；然后通過(guò)活塞的向上運(yùn)動(dòng)對(duì)燃料空氣混合物進(jìn)行壓縮；之后被壓縮的混合物燃燒從而導(dǎo)致活塞進(jìn)行向下做功沖程；然后活塞的向上運(yùn)動(dòng)迫使排放氣體經(jīng)由排氣管道排出，其中進(jìn)氣管道已關(guān)閉。

US 8056541描述了一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有位于燃燒室中的凹部和用于每個(gè)氣缸的單個(gè)提升閥。FR 2859764描述了一種用于多氣門(valve)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射系統(tǒng)。AT 390998描述了一種在燃燒室中具有凹陷部和同心閥的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以及GB 2203192描述了一種在進(jìn)氣管道和排氣管道中具有閥(valve)組合的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。

內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的先前設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題是因?yàn)橥ǔｋy以確保：氣缸在吸氣沖程中完全充滿空氣燃料混合物，以及在排氣沖程中完全掃除排出氣體。氣缸的這種不完全填充和不完全掃氣降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出和燃料效率。

本發(fā)明的目的在于解決上述缺點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)氣缸、氣缸蓋和燃燒室，其中，氣缸具有活塞，氣缸蓋包括進(jìn)氣管道、排氣管道和至少一個(gè)腔室氣門，進(jìn)氣管道包括進(jìn)氣閥以僅允許在一個(gè)方向上流過(guò)所述進(jìn)氣管道，排氣管道不包括流動(dòng)限制機(jī)構(gòu)或區(qū)域，進(jìn)入流體和排出流體經(jīng)由進(jìn)氣管道和排氣管道通過(guò)上述至少一個(gè)腔室氣門進(jìn)入和流出氣缸，燃燒室處于氣缸中使得允許腔室氣門在活塞處于上止點(diǎn)時(shí)顯著打開(kāi)，從而使得流體、流體流動(dòng)壓力和壓力波能夠在氣缸、進(jìn)氣管道和排氣管道之間傳遞。

在本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施方式中，當(dāng)活塞接近其沖程的頂部時(shí)，排氣管道調(diào)諧成使進(jìn)入流體加速并且在氣缸中產(chǎn)生負(fù)壓，以通過(guò)利用排出流體的流動(dòng)中的能量、經(jīng)由至少部分吸氣沖程來(lái)協(xié)助用進(jìn)入流體填充氣缸。

另外，優(yōu)選地，排氣管道調(diào)諧成利用排出流動(dòng)中的能量和壓力波來(lái)影響進(jìn)入流體的動(dòng)力和/或流動(dòng)，從而使用來(lái)自排出流動(dòng)的反射負(fù)壓波來(lái)協(xié)助對(duì)氣缸掃氣。

在又一實(shí)施方式中，排氣管道調(diào)諧成利用排出流動(dòng)中的能量和壓力波來(lái)影響進(jìn)入流體的動(dòng)力和/或流動(dòng)，從而使用反射正壓力波來(lái)協(xié)助填充氣缸。

在一些情況下，正壓力波可迫使從進(jìn)氣管道抽吸到排氣管道中的流體回到氣缸中。

在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式中，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管道的長(zhǎng)度和/或形狀和/或直徑來(lái)對(duì)排氣管道進(jìn)行調(diào)諧。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括將進(jìn)氣管道和排氣管道分隔開(kāi)的壁，所述壁在第一方向上將流體引導(dǎo)至氣缸中并在第二方向上將流體引導(dǎo)出氣缸，其中，所述第一方向和所述第二方向?yàn)椴煌姆较颉?/p>

優(yōu)選地，燃燒室成形為允許腔室氣門在活塞處于上止點(diǎn)時(shí)顯著打開(kāi)，從而大致令所有剩余的氣缸空間和燃燒室空間置于閥頭的下表面之上。另外優(yōu)選地，所述壁是將進(jìn)氣管道和排氣管道分隔開(kāi)并且位于腔室氣門的閥座正上方的基本豎直的壁。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，該壁位于腔室氣門垂直軸線的中心或任一側(cè)。

腔室氣門可位于進(jìn)氣管道和排氣管道與氣缸的主腔室之間。腔室氣門的寬度可以大于氣缸寬度的20％的直徑。腔室氣門優(yōu)選地具有在氣缸寬度的25％和75％之間的寬度，最優(yōu)選地，該寬度在氣缸寬度的40％和60％之間。

另外優(yōu)選地，進(jìn)氣管道和排氣管道中的一個(gè)或二者都與氣缸的側(cè)壁的縱向軸線成角度地或與氣缸的側(cè)壁相切地進(jìn)入氣缸。在另一實(shí)施方式中，進(jìn)氣管道和/或排氣管道相對(duì)于氣缸的縱向軸線傾斜地進(jìn)入氣缸，優(yōu)選地，以相對(duì)于水平面在35度和90度之間的傾斜度。

根據(jù)本發(fā)明的重復(fù)，壁可以定位成使得其針對(duì)進(jìn)氣管道和排氣管道形成尺寸相等的孔口，或者針對(duì)進(jìn)氣管道或排氣管道中的任一個(gè)形成尺寸較大和尺寸較小的孔口。當(dāng)腔室氣門閉合時(shí)，其可通過(guò)與壁形成密封或部分密封而完全或部分地阻塞進(jìn)氣管道和排氣管道之間的氣體通道。當(dāng)腔室氣門打開(kāi)時(shí)，進(jìn)入氣體可通過(guò)由排出氣體的流動(dòng)引起的負(fù)壓或吸力而被吸入排氣管道中。

優(yōu)選地，每個(gè)氣缸都具有單個(gè)腔室氣門，并且進(jìn)氣管道和排氣管道可以通過(guò)腔室進(jìn)入氣缸，從而連接位于腔室氣門閥座之上的進(jìn)氣管道和排氣管道。

優(yōu)選地，進(jìn)氣管道閥可以是簧片閥，腔室氣門是提升閥。

排氣管道可連接到排氣管道消聲系統(tǒng)和/或排氣消聲系統(tǒng)。排氣管道、管路或消音器可設(shè)置其內(nèi)部尺寸和形狀，以控制排出氣體的流速和壓力。

腔室氣門可具有閥座，該閥座形成進(jìn)氣管道和排氣管道與主腔室之間的邊界。

在進(jìn)氣管道和/或排氣管道相對(duì)于氣缸的縱向軸線傾斜地進(jìn)入的情況下，各管可布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)側(cè)處。進(jìn)氣管道的對(duì)準(zhǔn)可使在腔室氣門閥頭上方進(jìn)入氣缸的流體在氣缸內(nèi)形成使氣體和燃料混合物移動(dòng)的與環(huán)、筒或一個(gè)或多個(gè)水平對(duì)齊的圓柱相似的形狀。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)重復(fù)，燃燒室形成于氣缸蓋中的凹部與平坦或略微凹陷的活塞頂表面之間。從活塞頂部觀看，氣缸蓋中的凹部可為大致橢圓形或長(zhǎng)形形狀。該橢圓形或長(zhǎng)形輪廓的長(zhǎng)度可與氣缸孔的直徑相同或比氣缸孔的直徑略小。該橢圓形或長(zhǎng)形的寬度可與腔室氣門的頭部的直徑相同或比腔室氣門的頭部的直徑略大。腔室的較長(zhǎng)壁可以是豎直的，并且較窄的壁可以以一個(gè)角度向上傾斜以與腔室氣門閥座接觸。這種形狀在活塞的頂部與鄰近燃燒室的窄側(cè)的氣缸蓋之間留出擠壓區(qū)域。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，燃燒室形成于氣缸蓋中的凹部與平坦或略微凹陷的活塞頂表面之間。優(yōu)選地，燃燒室是位于氣缸蓋中的、具有環(huán)形擠壓區(qū)域的緊湊環(huán)繞式(circular)部分圓錐形燃燒室?？商娲?，燃燒室是具有長(zhǎng)形或橢圓形的燃燒室，在該燃燒室的相對(duì)側(cè)上具有兩個(gè)D形或月牙形擠壓區(qū)域。在另一替代方案中，燃燒室大致是位于活塞中的具有環(huán)形擠壓區(qū)域的圓柱形凹陷部，該環(huán)形擠壓區(qū)域可具有在零度與三十度之間的傾斜度。

活塞中的凹陷部可以是邊緣陡峭的，優(yōu)選具有大致豎直的側(cè)部。凹陷部?jī)?yōu)選地大致在活塞的縱向軸線的方向上延伸。

凹陷部可大致為圓柱形。凹陷部可包括至少一個(gè)向外延伸的較小凹處。該凹處或每個(gè)凹處可定位成允許發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞突出到主腔室中。該凹處或每個(gè)凹處可以是不對(duì)稱的。

凹處可呈凸角形，在使用中導(dǎo)致在圍繞凹陷部流動(dòng)的流體中形成旋渦。所述旋渦可形成于火花塞附近。

從活塞頂部來(lái)看，燃燒室的形狀可為具有比腔室氣門的直徑更大的直徑的圓形，并且具有與氣缸直徑相等或比其小的直徑。從側(cè)視圖來(lái)看，燃燒室的壁可從閥座的較大直徑傾斜或彎曲至較小直徑。當(dāng)燃燒室形成為具有比氣缸小的直徑時(shí)，可在活塞頂部與燃燒室凹處的該較小直徑之間形成環(huán)形擠壓區(qū)域。

這三個(gè)燃燒室的重復(fù)都允許腔室氣門在活塞處于上止點(diǎn)時(shí)在很大程度上或完全打開(kāi)，并且允許使用大直徑腔室氣門、緊湊的燃燒室和高壓縮比。

本發(fā)明擴(kuò)展到具有如上所述的進(jìn)氣管道、排氣管道、分隔壁、孔口、氣門、排出裝置和燃燒室的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種使內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣的方法包括：大致在相對(duì)于氣缸的側(cè)壁的縱向軸線的偏移處，將流體引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中。

優(yōu)選地，在大致與氣缸的側(cè)壁的切線處引導(dǎo)流體，從而使得流體圍繞氣缸的軸線做旋渦運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)氣管道和排氣管道可在氣缸蓋中大致彼此相鄰。

可以以相對(duì)于氣缸的縱向軸線的傾斜度將流體引導(dǎo)到氣缸中，優(yōu)選地，以與縱向軸線成約5度至45度的傾斜度來(lái)引導(dǎo)。

流體可從進(jìn)氣管道進(jìn)入氣缸的輔助腔室。輔助腔室中的通道可引導(dǎo)流體。

通道可將流體從輔助腔室引導(dǎo)至氣缸的主腔室。通道可通過(guò)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門與該氣門的閥座之間的間隙將流體引導(dǎo)至主腔室中。優(yōu)選地，腔室氣門位于氣缸的輔助腔室與主腔室之間。在一些情況下，腔室氣門具有閥座，該閥座形成輔助腔室與主腔室之間的邊界。

離開(kāi)氣缸主腔室的流體可由輔助腔室中的通道引導(dǎo)至排氣管道。

該方法可包括將燃料噴射到氣門上，從而令燃料霧化和/或令氣門冷卻。

活塞端部中的凹陷部可包括較小的凹部，該凹部可采用可容納突出至氣缸中的火花塞的凸角形狀的向外延伸部的形式。該向外延伸部可導(dǎo)致靠近火花塞形成流體旋渦。

本文公開(kāi)的所有特征可以以任意組合與任意上述方面結(jié)合。

以下將參照附圖通過(guò)示例來(lái)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，在附圖中：

圖1是從單氣門內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上方觀察的示意性局部剖視圖；

圖2是圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性局部橫截剖視圖；

圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性橫截剖視圖，示出在壓縮沖程結(jié)束時(shí)由活塞的成角度邊緣緊密接近引起的對(duì)氣缸的成角度頂部的擠壓效應(yīng)；

圖4是發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性局部橫截剖視圖，示出點(diǎn)火點(diǎn)處的布置和可能的氣體流動(dòng)；

圖5是發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性局部橫截剖視面，示出在吸氣沖程之前活塞在上止點(diǎn)處的氣體流動(dòng)效果；

圖6是發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性橫截局部側(cè)視剖視圖，示出吸氣沖程期間發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)可能的氣體流動(dòng)；

圖7是發(fā)動(dòng)機(jī)的替代實(shí)施方式在燃燒步驟期間的示意性橫截局部俯視剖視圖；

圖8是發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣裝置的實(shí)施方式的示意性橫截局部側(cè)視剖視圖，示出在吸氣沖程結(jié)束之前排氣裝置中的壓力波反射；

圖9是發(fā)動(dòng)機(jī)的替代實(shí)施方式的局部示意性側(cè)視橫截剖視圖；

圖10是圖9的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性局部俯視剖視圖；

圖11是具有平頂活塞和圓形燃燒室的替代實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖，其中圓形燃燒室位于活塞上方；

圖12是沿著圖11中箭頭C的方向觀察的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性橫截剖視圖，示出位于燃燒室的邊緣處的環(huán)形擠壓區(qū)域；

圖13是具有位于活塞上方的長(zhǎng)形/橢圓形燃燒室的替代實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖；

圖14是發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性橫截剖視圖(沿著圖13中箭頭D的方向觀察，示出位于燃燒室的兩側(cè)上的“D”形擠壓區(qū)域；

圖15是與圖14對(duì)應(yīng)的示意性端視圖。

圖2示出內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10每個(gè)氣缸12都具有單個(gè)腔室氣門2，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10具有進(jìn)氣管道3和排氣管道4，進(jìn)氣管道3和排氣管道4二者均從內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10的外表面通向在氣缸12的主腔室上方的腔室7。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，進(jìn)氣管道3和排氣管道4可位于氣缸的相對(duì)側(cè)，并且由靠近氣缸12頂部終止的基本豎直的壁23分隔開(kāi)，從而在腔室氣門2關(guān)閉時(shí)令腔室7減小至最小間隙。雖然在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中設(shè)置有壁23，但是壁23不是必須的，并且在沒(méi)有將進(jìn)氣管道和排氣管道分隔開(kāi)的壁的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)仍然可操作。可替代地，可在進(jìn)氣管道3與排氣管道4之間設(shè)置其他分隔裝置，并且所設(shè)置的分隔類型通常將取決于進(jìn)氣管道3和排氣管道4相對(duì)于燃燒室6的方位。氣門2位于氣缸12的頂端，并且布置成打開(kāi)和關(guān)閉氣缸12的頂端中的開(kāi)口。優(yōu)選地，腔室氣門2是具有閥桿(stem)18和閥頭16的提升閥(并且在所有示出的實(shí)施方式中均為提升閥)，但是也可使用其它類型的閥。活塞5位于氣缸12內(nèi)，并且布置成以常規(guī)的方式移動(dòng)。燃燒室6位于活塞5的上端中，或者位于活塞5的頂部與提升閥閥頭(head)16的下表面之間的空間中。

更詳細(xì)地，進(jìn)氣管道3以大約60度的角度從發(fā)動(dòng)機(jī)10的上端向下延伸至腔室7，然而，該角度可在30度至90度之間變化。進(jìn)氣管道3連接腔室7。在腔室7上游的短距離處，進(jìn)氣管道3變寬并且設(shè)置有簧片閥1，以防止排出流體向上返回流經(jīng)進(jìn)氣管道3。通常，簧片閥1是壓敏單向流動(dòng)裝置。

排氣管道4從腔室7延伸出，并且遵循大致為進(jìn)氣管道3的鏡像圖像的路徑(參見(jiàn)圖2)，但是排氣管道也可遵循替代(非鏡像)路徑。排氣管道4具有相對(duì)大的直徑并且具有平滑的側(cè)部，以促進(jìn)排出氣體迅速離開(kāi)排氣管道8(如圖8所示)。優(yōu)選地，排氣管道4是無(wú)閥系統(tǒng)，并且不包括任何其他物理流動(dòng)限制件。當(dāng)然，排氣管道4可連接至用于與2沖程或4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用的標(biāo)準(zhǔn)排氣系統(tǒng)8，標(biāo)準(zhǔn)排氣系統(tǒng)8可設(shè)置有物理限制件或閥，以限制后續(xù)排氣系統(tǒng)中的流動(dòng)。

提升閥2有效地在燃燒室6上形成“蓋”。提升閥具有盤狀件形式的閥頭部分16，閥頭部分16設(shè)置成用于通過(guò)閥桿部分18的運(yùn)動(dòng)而相對(duì)于氣缸12運(yùn)動(dòng)，從而可選地密封室7。提升閥閥頭16的直徑或?qū)挾瓤梢詾榛钊睆降募s50％。如圖所示(圖5)，提升閥2的閥頭16成形為在于活塞式燃燒室中使用碗狀部的發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)(iteration)中緊密地配合在燃燒室6的基礎(chǔ)部中。

為了使氣體/流體能夠以最小的限制流出和流入發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒室6配置成在活塞5處于其沖程的頂部(上止點(diǎn))時(shí)允許提升閥2基本打開(kāi)，并且燃燒室6可形成為位于活塞冠部中的碗狀部或者形成為位于氣缸蓋中的凹部，其中所述氣缸蓋位于提升閥2下方且位于活塞頂部上方。圖2至圖15所示的燃燒室6使得流體能夠自由地進(jìn)入和離開(kāi)氣缸，其與緊湊的腔室形狀結(jié)合從而由于使用允許高壓縮比的形狀和體積而允許良好的壓縮。這使得進(jìn)入空氣/燃料混合物能夠良好地燃燒。燃燒將受到后面附圖中所示的顯著擠壓區(qū)域22進(jìn)一步協(xié)助。

當(dāng)燃燒室在活塞5的頂部中時(shí)，燃燒室的橫截面通常為圓形，但是它也可包括凹部20，凹部20可是凸角形，并且成形為允許火花塞插入腔室6中(參見(jiàn)圖7)。如圖所示，該燃燒室6大致為具有基本平坦的基礎(chǔ)部的圓柱形，盡管基礎(chǔ)部可設(shè)置有小的突起。提升閥2的閥頭16也具有平坦的基礎(chǔ)部，并且如圖5所示，當(dāng)氣門位于燃燒室6的底部上時(shí)，閥頭16緊貼地位于燃燒室6的基礎(chǔ)部的頂部上(參見(jiàn)圖5)。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，閥頭16和燃燒室6的基礎(chǔ)部都是平坦的，但是也可考慮其它形狀。例如，燃燒室6可以是具有凹形側(cè)部而不是豎直側(cè)部的半球形的。燃燒室6可具有盤狀基底，在這種情況下，閥頭16可類似地成形。雖然本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式包括具有平坦閥頭16的圓柱形燃燒室6，但是燃燒室6和閥頭16的確切形狀不如以下事實(shí)重要：使燃燒室6和閥頭16成形為使得閥頭16將緊密貼靠燃燒室6的內(nèi)部，具體地防止在閥頭的底表面與燃燒室基底之間捕獲流體囊(pocket)。

當(dāng)包括凹部20時(shí)，凹部20還用于允許火花塞9的尖端在突出到燃燒室6中之處距離活塞5必要的間隙?？蓢@燃燒室的圓界使用兩個(gè)或更多火花塞9，每個(gè)火花塞9都具有自身的凹部20。當(dāng)然，如果發(fā)動(dòng)機(jī)10將與柴油燃料一起使用，則火花塞(以及相關(guān)聯(lián)的凹部)可能不是必需的。優(yōu)選地，柴油壓縮點(diǎn)火型式很可能在活塞冠部中使用甚至更緊湊的燃燒室碗狀部。

圖3至圖6中示出發(fā)動(dòng)機(jī)10的一個(gè)實(shí)施方式的各操作階段。

在使用中，通過(guò)由活塞5在氣缸12內(nèi)的向下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的吸力以及由排出流體運(yùn)動(dòng)通過(guò)排氣管道4和排氣管道8的迅速流動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)壓，流體被吸入進(jìn)氣管道3中。因?yàn)檫M(jìn)氣管道3的向下方位使吸入的進(jìn)入氣體/流體以向下的方向和動(dòng)量流動(dòng)，所以使得流體移動(dòng)至氣缸12中，其中所述流體是通過(guò)由活塞5的向下運(yùn)動(dòng)和令在相反的向上方向上作用的排出氣體柱迅速運(yùn)動(dòng)二者所生成的負(fù)壓而被吸入的。負(fù)壓力的這種組合在由活塞在氣缸12內(nèi)的運(yùn)動(dòng)而騰出的空間中產(chǎn)生強(qiáng)大的吸入效應(yīng)，從而允許以進(jìn)入流體有效地填充發(fā)動(dòng)機(jī)10。該流體的流動(dòng)由分隔壁23進(jìn)行引導(dǎo)，當(dāng)需要有效地填充氣缸時(shí)，該分隔壁23有助于將進(jìn)入流體引導(dǎo)到氣缸12內(nèi)，并防止進(jìn)入流體被吸入排氣管道4內(nèi)。在這個(gè)操作階段，提升閥2處于打開(kāi)位置(如圖2和圖6所示)，這允許將流體吸入氣缸12內(nèi)。隨著流體被吸入氣缸12內(nèi)，可將燃料注入移動(dòng)的空氣流中或通過(guò)化油器引入。優(yōu)選的是，將燃料直接噴射至燃燒室6內(nèi)；然而，這不是本文所描述的系統(tǒng)的要求。

在壓縮沖程開(kāi)始之前，提升閥2閉合，并且活塞5開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)從而壓縮氣缸12中的氣體和燃料混合物。

在如圖2至圖15所示的本發(fā)明的實(shí)施方式中，隨著活塞5到達(dá)上止點(diǎn)(如圖3和圖4所示)時(shí)，在活塞5的頭部的外邊緣22與氣缸蓋壁的頂部的相應(yīng)邊緣之間產(chǎn)生顯著的被稱為“擠壓(squish)”的效應(yīng)?！皵D壓”是眾所周知的并且是期望現(xiàn)象，其有助于促進(jìn)有效燃燒，但是擠壓現(xiàn)象的使用對(duì)于本發(fā)明并不是關(guān)鍵的。擠壓現(xiàn)象在該發(fā)動(dòng)機(jī)中的效果是，在極大程度攪拌的狀態(tài)下將外部燃料混合物擠壓到燃燒室6中。所示布局留出比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的擠壓區(qū)域更大的擠壓區(qū)域，因?yàn)榛钊蜌忾T運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有沖突。在軸向吸入的實(shí)施方式中，以上角動(dòng)量守恒意味著混合物的速度會(huì)在其被壓縮至燃燒室6內(nèi)時(shí)在上止點(diǎn)處急劇增大。由于成角度的活塞頂部的影響，在燃燒室6作為位于活塞中的碗狀部的情況下擠壓區(qū)域最大。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，活塞5的外邊緣相對(duì)于水平從活塞頂部向下成0°至35°的角度。

以下參照?qǐng)D7，壓縮燃料和空氣混合物的點(diǎn)火可在燃燒室6的外邊緣處的凹部20中進(jìn)行。當(dāng)凹部20呈凸角形狀時(shí)，凹部20被成形為收集濃混合物的旋渦(eddy)，當(dāng)被點(diǎn)燃時(shí)，濃混合物的旋渦提供對(duì)火焰前部的良好點(diǎn)燃。由于混合物極大程度的攪拌和運(yùn)動(dòng)、結(jié)合燃燒室6的緊湊特性、以及發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓縮比和低爆炸風(fēng)險(xiǎn)工作的能力，所以火焰的傳播將迅速且有效。發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓縮比和低爆炸風(fēng)險(xiǎn)工作的能力這個(gè)因素通過(guò)單個(gè)提升閥2的工作溫度來(lái)協(xié)助，所述單個(gè)提升閥2的工作溫度與常規(guī)的單獨(dú)的吸氣閥和排氣閥相比較低。

如上所述，利用分層進(jìn)氣進(jìn)行工作的發(fā)動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有以貧混合物運(yùn)行的能力(稀燃)。這允許在點(diǎn)火點(diǎn)利用能夠以過(guò)量空氣工作的發(fā)動(dòng)機(jī)、但利用正確的燃料/空氣混合物進(jìn)行有效的部分負(fù)載運(yùn)行。期望的是，發(fā)動(dòng)機(jī)可被開(kāi)發(fā)為以節(jié)流閥運(yùn)行或者以無(wú)節(jié)流閥狀態(tài)運(yùn)行，其中，動(dòng)力僅由噴射的燃料量(具體地，當(dāng)使用直接噴射時(shí))連同可變閥門定時(shí)一起控制。

本文所述的發(fā)動(dòng)機(jī)10的布置允許：在沒(méi)有來(lái)自活塞5的干擾的情況下實(shí)現(xiàn)大的提升閥2的閥面積和高升程。這種不干擾允許非常有效的進(jìn)氣和排氣循環(huán)。在燃燒之后(參見(jiàn)圖4)，活塞5在其做功沖程中向下移動(dòng)。在活塞5到達(dá)下止點(diǎn)之前提升閥2開(kāi)始打開(kāi)，這可比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)晚，其中常規(guī)改動(dòng)機(jī)將對(duì)排出流體逸出具有更大的阻礙。這還允許100％對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃燒室6掃氣。較長(zhǎng)的做功沖程還將提高效率。隨著氣門2打開(kāi)，壓力將傳遞至進(jìn)氣管道3和排氣管道4。該壓力將關(guān)閉進(jìn)氣管道3上的閥1。隨著流體通過(guò)提升閥2進(jìn)入腔室7，流體將遵循其自然路徑(進(jìn)入排氣管道4，在自然路徑，流體將移動(dòng)到排氣系統(tǒng)8(圖8)中，從而產(chǎn)生迅速移動(dòng)的流體柱。在排出循環(huán)的一些階段，一些空氣也可通過(guò)排出流體的動(dòng)量而被吸入排氣管道4內(nèi)。隨著活塞5接近上止點(diǎn)(TDC)，流體柱應(yīng)該完全對(duì)氣缸進(jìn)行掃氣，并且提升閥2將完全處于燃燒室6內(nèi)。這使得能夠完全對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣，因?yàn)椴淮嬖谟糜谌魏问Ｓ嗯懦隽黧w的空間。然后，發(fā)動(dòng)機(jī)也將在排氣沖程結(jié)束時(shí)和吸氣沖程開(kāi)始時(shí)具有最大氣門升程。這促進(jìn)了良好的排氣(exhaust)流動(dòng)，并且由于排氣管道4中的排出流體的動(dòng)量的影響，進(jìn)氣管道3和排氣管道4之間的連接早期有助于加速進(jìn)氣。

通過(guò)排氣管道4的流體的動(dòng)量將開(kāi)始在腔室7中產(chǎn)生負(fù)壓，從而使進(jìn)氣簧片閥1打開(kāi)，并抽吸空氣以用于下一個(gè)進(jìn)氣沖程(inlet stroke)。在活塞5已經(jīng)逆轉(zhuǎn)方向以開(kāi)始進(jìn)氣沖程時(shí)，跟隨自然路徑進(jìn)入腔室7的進(jìn)入流體將已經(jīng)存在動(dòng)量；并且在活塞5開(kāi)始其向下的吸入沖程之前，在活塞處于上止點(diǎn)周圍時(shí)，排出流體的流動(dòng)可能引起在排出流體流后面將進(jìn)入流體柱抽吸到排氣管道4。對(duì)于由在上述循環(huán)開(kāi)始時(shí)所描述的活塞5的向下運(yùn)動(dòng)引起的流體流動(dòng)，該流體流量是附加的。

圖8示出當(dāng)排氣裝置長(zhǎng)度和/或形狀和/或直徑被調(diào)整成發(fā)動(dòng)機(jī)的操作速度時(shí)排氣管道4內(nèi)的壓力波的影響。隨著氣門2在吸氣行程結(jié)束時(shí)開(kāi)始閉合，可從排氣管道8的開(kāi)口端反射正壓力波，或者通過(guò)壓力反射腔室、共振腔室和如本領(lǐng)域中所理解的更典型地用于2沖程摩托車的這類裝置(未示出)來(lái)反射正壓力波。負(fù)壓力波和/或正壓力波的這種反射會(huì)導(dǎo)致可能已經(jīng)被向上抽吸到排氣管道4的進(jìn)入氣體或流體沿排氣管道向下反射回去，并被迫返回氣缸內(nèi)(參見(jiàn)箭頭50)，從而為具體進(jìn)氣提供改進(jìn)的氣缸填充。在排氣管道4中使用壓力波意味著排氣管道4可能不需要設(shè)置有任何物理閥或其他限制裝置，并且排氣管道4可被調(diào)整成利用排氣壓力波來(lái)協(xié)助進(jìn)氣填充和排出掃氣。

優(yōu)選地，排氣管道4中的排出流體的流動(dòng)中的動(dòng)態(tài)能量被發(fā)動(dòng)機(jī)1利用，以在活塞5接近其沖程的頂部時(shí)使進(jìn)入空氣或流體加速，并且排出流體的這種加速有助于在氣缸12中產(chǎn)生負(fù)壓，這有助于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)1的全部或部分吸氣沖程以進(jìn)入空氣或流體填充氣缸12。

排氣管道4還可調(diào)節(jié)成利用排出流體動(dòng)力中的動(dòng)態(tài)能量(動(dòng)能)，并且使用排出流體中的壓力波。這可能影響進(jìn)入氣體或流體的動(dòng)力和流動(dòng)。利用排出流體中的動(dòng)態(tài)能量以及使用排出流體中的壓力波可有助于以來(lái)自排氣的反射負(fù)壓力波來(lái)對(duì)氣缸12進(jìn)行掃氣(scavenging)。利用該能量還可協(xié)助使用來(lái)自排出流體的反射正壓力波進(jìn)行氣缸12的后續(xù)填充(在先前掃氣之后)。負(fù)壓增強(qiáng)的氣缸掃氣和正壓增強(qiáng)的氣缸填充可是獨(dú)立的事件，或者可聯(lián)系在一起。

可以以與上述方式相同的方式來(lái)重復(fù)進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程的循環(huán)。

在如圖9和圖10中所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的替代實(shí)施方式中，隨著活塞5沿氣缸12向上移動(dòng)，在氣缸12內(nèi)由流體的軸向吸入引起的旋渦的速度將傾向于增大。對(duì)混合物的離心力將傾向于朝向氣缸12的邊緣推動(dòng)更稠密的燃料顆粒。其有益效果在于：使填充物分層，其中，使具有更稠密或更充裕的液體燃料和空氣混合物的進(jìn)氣被迫朝向氣缸12的外部(即火花塞9所在之處)運(yùn)動(dòng)。

圖9和圖10示出進(jìn)氣管道和排氣管道的替代布置。在該實(shí)施方式中，管道3和管道4切向地進(jìn)入腔室7，從而圍繞氣缸的中心線的軸線產(chǎn)生旋渦。在其他方面，發(fā)動(dòng)機(jī)以與上述方式相同的方式工作。

圖11和圖12示出具有環(huán)繞式(circular)燃燒室6的發(fā)動(dòng)機(jī)10的不同視圖。在本發(fā)明的該替代實(shí)施方式中，燃燒室6形成于氣缸蓋12中的凹部與活塞5的平坦或略微凹陷的頂表面之間。從活塞5的頂部向上看(在箭頭C的方向上)(圖12)，燃燒室6的形狀可是圓形的，并且具有比提升閥2更大的直徑，并且具有與氣缸12的直徑相等或比其小的直徑。從側(cè)視圖(圖11)看，燃燒室6的壁可在燃燒室6的基礎(chǔ)部處從較大直徑31到閥座的較小直徑32傾斜或彎曲。當(dāng)燃燒室6形成有比氣缸12的直徑小的直徑32時(shí)，可在活塞頂部與燃燒室凹部的該較小直徑之間形成環(huán)形擠壓區(qū)域22。

圖13、圖14和圖15示出具有大體為橢圓形的燃燒室6的發(fā)動(dòng)機(jī)10的另一實(shí)施方式的不同視圖。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，燃燒室6形成于氣缸蓋中的凹部與活塞5的平坦或略微凹陷的頂表面之間。從活塞頂部向上看(在箭頭D的方向上)(圖14)，氣缸蓋中的凹部可為大致橢圓形或長(zhǎng)形(oblong)的形狀。橢圓形或長(zhǎng)形輪廓的長(zhǎng)度可與氣缸孔的直徑相同或略小于氣缸孔的直徑。橢圓形或長(zhǎng)形的寬度可與提升閥2的閥頭16的直徑相同或略大于該直徑。腔室6的較長(zhǎng)壁可為豎直的，并且較窄的壁34可以以一定角度向上傾斜，從而與提升閥座16接觸。燃燒室的這種形狀在活塞5的頂部與鄰近燃燒室6的窄側(cè)的氣缸蓋之間留出擠壓區(qū)域22。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本文所述的實(shí)施方式在至少以下方面具有顯著的有益效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)10與4沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)兼容，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)10可克服通過(guò)由高壓縮比導(dǎo)致的氣門/活塞間隙限制引起的一些呼吸問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)10具體適合于燃燒氣態(tài)燃料，諸如丙烷、甲烷和氫氣，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)10可令容積效率和高壓縮比良好結(jié)合。另外，本發(fā)明的各方面可適于不以4沖程循環(huán)操作的其它發(fā)動(dòng)機(jī)(例如2沖程或6沖程發(fā)動(dòng)機(jī))。

該發(fā)動(dòng)機(jī)布局允許長(zhǎng)時(shí)間的高氣門升程結(jié)合大的氣門面積，這允許實(shí)現(xiàn)良好的容積效率(即呼吸)。

在上止點(diǎn)處氣門完全打開(kāi)的效果使得能夠通過(guò)由排出流動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)壓而實(shí)現(xiàn)吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)入流體的早期流動(dòng)。這在活塞開(kāi)始其泵送沖程之前產(chǎn)生進(jìn)入流體動(dòng)量，從而輔助氣缸填充，進(jìn)而提高容積效率并減少泵送損失。

通過(guò)流體顯著的擠壓(squish)和翻轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)輔助的緊湊型燃燒室6允許實(shí)現(xiàn)迅速、清潔和完全的燃燒。

吸入排氣管道4中的空氣柱允許諧振波調(diào)諧到排氣管道的諧振頻率(如在二沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中所使用)，以改善流動(dòng)特性和容積效率。另外，就多氣缸版本的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如本領(lǐng)域已知的那樣，可通過(guò)連接排氣管道和使用一個(gè)循環(huán)的排氣壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)自超級(jí)進(jìn)氣的有效程度，從而迫使相鄰排氣端口中的殘余空氣隨著氣門閉合而返回到氣缸中。

越過(guò)提升閥2流動(dòng)的冷的進(jìn)入流體將降低氣門溫度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震閾值。該特征允許發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的壓縮比下或者在較差的燃料質(zhì)量下安全地工作。

上述設(shè)計(jì)允許自由呼吸的長(zhǎng)沖程發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合良好的動(dòng)力和扭矩。傳統(tǒng)的長(zhǎng)沖程發(fā)動(dòng)機(jī)因其由于有限的閥面積無(wú)法以高轉(zhuǎn)速高效地呼吸而受到限制。

上述布置易于構(gòu)造，并且具有比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)更少的活動(dòng)部件，并且應(yīng)該適用于任何現(xiàn)有的曲軸箱/氣缸體。上述布置還為具有不同類型的歧管進(jìn)氣管道和排氣管道閥門的更復(fù)雜的設(shè)計(jì)留出了空間。在所有附圖所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，提升閥在與氣缸孔相同的垂直中心線上的位置允許使用將氣缸體和氣缸蓋組合的單個(gè)部件來(lái)容易地制造發(fā)動(dòng)機(jī)，這在本領(lǐng)域中通常被稱為整體式結(jié)構(gòu)，并且針對(duì)提升閥孔和氣缸該發(fā)動(dòng)機(jī)可在生產(chǎn)中使用單個(gè)鉆孔和鏜孔(boring)工藝來(lái)進(jìn)行機(jī)械加工。

由于該設(shè)計(jì)的固有加速力和減速力較小以及因?yàn)樵摪l(fā)動(dòng)機(jī)具有較少的活動(dòng)部件，所以氣門機(jī)構(gòu)中的摩擦將減小，從而提高機(jī)械效率并增強(qiáng)耐久性。

上述發(fā)動(dòng)機(jī)主要涉及針對(duì)經(jīng)濟(jì)和排放效益的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。然而，效率和由此產(chǎn)生的高比功率輸出可為運(yùn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和賽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供發(fā)動(dòng)機(jī)的益處。

在本說(shuō)明書(包括所有所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開(kāi)的所有特征和/或如此公開(kāi)的任何方法或過(guò)程的所有步驟均可以以任何組合進(jìn)行結(jié)合，除了其中至少一些這樣的特征和/或步驟是相互排斥的情況。

除非另外明確說(shuō)明，否則本說(shuō)明書(包括所有所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開(kāi)的每個(gè)特征均可由用于相同、等同或相似目的的替代特征來(lái)替換。因此，除非另外明確說(shuō)明，否則所公開(kāi)的每個(gè)特征均僅為等同或類似特征的一般系列的一個(gè)示例。

本發(fā)明不限于前述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。本發(fā)明擴(kuò)展至本說(shuō)明書(包括所有所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開(kāi)的特征中的任一新穎的特征或任意新穎的組合，或者擴(kuò)展至如此公開(kāi)的任何方法或過(guò)程的步驟中的任一新穎的步驟或任意新穎的組合。