具体实施方式

本发明涉及一种用于内燃机气缸的进气设备。它是具有两个进气管的进气设备。

该进气设备包括：

-两个进气管，用于允许气体进入气缸；

-插在进气管中的进气阀，阀的开启允许气体被馈送到气缸中，

-进气阀校准部分，设置在每个进气阀的在气缸侧上的端部处，校准部分指向气缸的火焰面(燃烧面)，进气阀校准部分是阀在其中移动的、基本上圆柱形的机械部件，

-在每个进气管内，用于产生气体在气缸内沿垂直于气缸轴线的方向的空气动力学运动的气体转向装置，换而言之，用于形成滚流型的空气动力学气体运动的装置。

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。阀校准部分插在气缸盖的下平面中，从而向气缸供应气体。

与每个气缸具有一个进气阀的构造相比，每个气缸具有两个进气阀的发动机的由于运动的部件的轻量化而产生的最轻微的机械惯性也能实现更高的发动机速度，从而提供更高的内燃机效率和功率。

根据本发明，进气设备形成为使得在每个进气管的内弧面处，进气管和阀校准部分之间的相交部位于形成由母线上承载的线段，该线段相对于一平面形成范围在0°至45°之间的角度α，该平面平行于火焰面并穿过进气管与阀校准部分之间的相交点。进气管的内弧面应理解为进气管的下(表)面(当进气管处于其运行位置中时)。因此，进气管的下面与阀校准部分的相交部(其为线段)相对于与火焰面平行的平面倾斜。该倾斜提供了气体在校准部分入口处的转向，更确切的是，在气缸入口处的转向。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，是涡旋型的空气动力学气体运动。这种倾斜可导致进气管在其端部处的旋转(则进气管的端部扭曲)，这促进了涡旋型空气动力学气体运动。此外，该实施例提供了涡旋型的空气动力学气体运动，而无需任何特定的遮罩件、瓣片或叶片型附件(附属物)。此外，该进气设备的构造不涉及对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0°至45°之间的范围中的角度α倾斜允许产生涡旋型空气动力学气体运动。高于45°，进气管的几何形状是复杂且难以实现的。

通过结合滚流型和涡旋型的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那些水平更高的湍流水平，涡滚型空气动力学运动实现了受益于优异的均质性和更好的燃烧率。

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)边缘的。

根据该实施例的一示例，进气管在与阀校准部分的相交处的矩形的流动横截面区域相对于火焰面的方向是倾斜的。换而言之，矩形的流动横截面区域的边缘没有平行于或垂直于与火焰面相平行的平面的。

根据本发明，这两个进气管是非对称的。每个进气管的角度α是不同的。换而言之，由校准部分和两个进气管的内弧面相交处形成的母线不平行。这种非对称性提供了在气缸中涡滚型的空气动力学气体运动的良好的定向性，特别是在压缩结束时：空气动力学气动运动的构型更接近于滚流型的空气动力学气体运动，这使湍流动能的产生最大化。此外，根据本发明的进气设备的构造不涉及对发动机的气缸盖内的布置的附加约束，这与目前的允许获得涡滚型的空气动力学气体运动的解决方案相比，提供了明显的优势。

优选地，这两个管可以是基本上平行的。

有利地，这两个管可包括相同的用于产生滚流型的空气动力运动的装置。

这两个特点有利于气体进气设备在气缸中的设计。

根据本发明的一实施例，两个进气管的角度α之差δ可以是非零的度，范围在0°到45°之间、优选在0°到15°之间，并且更优选在1°到15°之间。这些角度范围允许优化气缸中涡滚型的空气动力学气体运动的恰当定向。

根据本发明的一实施形式，以较大的角度α倾斜的进气管是在气缸中产生空气动力学气体运动的进气管，其方向更靠近气缸的轴线(中心)。这个进气管可以被称为内管，而第二个进气管可以被称为外管。换而言之，在出口处空气动力学气体运动靠近气缸轴线的进气管的倾斜角度α大于在出口处的空气动力学气体运动靠近气缸的壁的进气管的倾斜角度α。因此，内管产生比外管更大(强烈)的涡旋型空气动力学运动，而外管产生的空气动力学气体运动更接近于滚流型空气动力学运动。然而，气缸壁(靠近外管)将包裹来自外管的空气动力学气体运动，并将其重新导向气缸轴线，并且它会添加到涡滚型的空气动力学气体运动中。因此，来自内管的气流强烈地将流动变成了涡滚型的空气动力学气体运动。与对称的进气管构造相比，这种构造在气缸内的上死点(上止点)处提供了显著的湍流增益，从而实现了燃烧效率增益。

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。

根据本发明的一个实施例，角度α的范围可在0°至20°之间,优选地在0°至16°之间。该角度范围允许优化涡旋型空气动力学气体运动，并由此优化结合的涡滚型空气动力学气体运动。由于两个倾斜度的角度差，进气管的至少一个角度α是非零的。优选的是，至少一个进气管的角度α大于或等于5°。低于5°，倾斜不足以对气缸中气体的空气动力学运动有显著的影响。

根据一优选实施例，两个进气管的角度α均可以非零。该实施方案允许产生更大(更强)的涡滚型空气动力学气体运动。

优选地，角度δ范围在0°至两根管之间角度α的最大值之间(不包括边界)。换而言之，可以写出不等式0<δ<α_最大，其中，α_最大是两根管之间的最大值。

根据本发明的一个实施方式，气体转向装置可仅包括进气管的形状。因此，不存在阻碍进气管中的气体流动的主动(有源)或被动(无源)元件。

根据第一示例实施例，气体转向装置可包括在每根进气管的下部轮廓上的斜坡形状。该斜坡形状可以通过在进气管的下部轮廓中的凹度的变化来获得。斜坡形状促进进气管中的气流的分离，并将其送到进气管的上部部分，因此送到气缸的上部部分，从而使滚流型的空气动力学气体运动最大化。

根据第二示例实施例(其可以与第一示例实施例结合)，气体转向装置可包括在阀校准部分附近的流动横截面的会聚。换而言之，每根进气管的横截面区域在其靠近阀校准部分的端部处变窄。这种会聚产生气体流动加速，气体流动加速促进了填充以及空气动力学气体运动两者。

根据第三示例实施例(其可以与第一和/或第二示例实施例结合)，气体转向装置可包括每根进气管的倾斜(度)。每根进气管的这一倾斜可以由进气管与校准部分的相交点的切线的角度限定，该角度倾斜范围在0°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。进气管的倾斜允许进入气缸的气流倾斜，从而形成滚流型空气动力学气体运动。例如，可以借助进气管的角度与燃烧室的上部部分的斜率角度之间的切线来实现滚流型空气动力学气体运动的优化。

根据本发明的一个方面，每根进气管可包括部分地封闭通入到气缸中的进气管的端部的进气遮罩件。进气遮罩件定义为在进气阀座附近专门加工的、特定的燃烧室，其允许在所述座处阻塞进气管的流动横截面区域的一部分的通路，从而加速气体流动并由此增加燃烧室中的湍流。

根据本发明的一个方面，气体进气设备可以是连体型(暹罗型，type siamois)。换而言之，连体型进气管包括一个入口和指向气缸的两个出口，每个出口包括进气阀和进气阀校准部分。连体型进气管包括两个进气管，具有上文所述的用于在气缸中形成涡滚型空气动力学气体运动的特征部。这种类型的连体型进气设备适合于具有两个进气阀的气缸，其允许简化进气室的设计(进气室是进气管上游的容积)。

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进气设备1。图1是进气设备1的运行位置的侧视图。在图中仅示出了一个进气管5，因为两个进气管基本上平行，并且沿垂直于图面的方向有一定距离。进气设备1包括进气管5、在进气管中的阀4和进气阀校准部分6。进气阀4的端部在其打开时允许气体通过，该端部未示出。进气管5包括气体入口2和气体出口3，进气阀4及其校准部分6设置在该气体出口3中。

进气设备1还包括气体转向装置，用于在气缸内形成沿垂直于气缸轴线的方向的气体的空气动力学运动(滚流型空气动力学气体运动)。这些气体转向装置包括进气管5的、靠近阀的校准部分6的横截面区域的会聚8。该会聚8对应于靠近阀的校准部分6的横截面区域的减小。此外，气体转向装置包括通过进气管5的下部轮廓的凹度变化而设置在进气管5的下部轮廓上的斜坡9。此外，气体转向装置包括进气管5的倾斜(度)，该倾斜(度)由进气管5与校准部分6之间的相交点7的切线方向与方向AA限定。该图也示出了属于火焰面的平面的线FF。方向AA平行于线FF，并且它允许限定进气管5的倾斜(度)。

作为非限制性示例，图2示意性示出了进气管的内弧面(下表面)的局部视图。图2是在垂直于火焰面(在进气设备的运行位置中)的平面中。左边的图对应于根据现有技术的管，其不具有用于形成涡旋型的空气动力学气体运动的气体转向装置。右边的图对应于根据本发明一变型的设备，在内弧面处具有进气管与阀校准部分之间的相交部的倾斜，用于形成涡旋型的空气动力学气体运动。对于所示实施例，(进气)管截面是大致矩形的。

在这些附图中，线FF属于火焰面(由气缸限定，未示出)的平面，而方向F’F’是属于穿过进气管5与进气阀校准部分6之间的相交点的、平行于火焰面FF的平面的线。

根据左图中示出的现有技术，进气管5与进气阀校准部分6之间的相交部7是与线F’F’合并的线段。

另一方面，根据右图所示的本发明，进气管5与进气阀校准部分6之间的相交部7形成由轴线YY的直线母线承载的线段，其相对于线F’F’以角度α倾斜。该非零角度α的范围在0°至45°之间。在右图中可见，这种倾斜在与阀校准部分的相交部附近产生进气管5的略微旋转，其具有大致矩形的横截面区域。

作为非限制性示例，图3示意性示出根据本发明一实施例的进气设备1的内弧面(下表面)的局部视图。图3是在垂直于火焰面(在进气设备的运行位置中)的平面中。进气设备1包括第一进气管5a和第二进气管5b。两个进气管5a和5b是大致平行的。在第一进气管5a的端部处设有校准部分6a，而在第二进气管5b的端部处设有校准部分6b。

在这些图中，线FF属于火焰面(由气缸限定，未示出)的平面，而方向F’F’是属于穿过进气管5a和5b与进气阀的校准部分6a和6b之间的相交点的、平行于火焰面FF的平面的线。

第一进气管5a与进气管的校准部分6a之间的相交部7a形成线段，该线段由相对于平面F’F倾斜一定角度的母线YaYa承载。第二进气管5b与进气阀的校准部分6b之间的相交部7b形成线段，该线段由相对于平面F’F倾斜一定角度α2的母线YbYb承载，角度α2严格小于角度α1。母线YaYa和YbYb之间的角度差δ(非零)用δ表示，其范围在0°到45°之间、优选在0°到15°之间。

作为非限制性示例，图4示意性示出配备有根据本发明的一实施形式的进气设备的气缸10的俯视图。排气装置未在该图中示出。进气设备包括第一进气管5a和第二进气管5b。在第一进气管5a的端部处设有校准部分6a，它通入气缸10。在第二进气管5b的端部处设有校准部分6b，它通入气缸10。该图用箭头Ma和Mb分别示意性示出了第一进气管5a和第二进气管5b的出口处、气缸中的空气动力学气体运动。第一进气管5a出口处的空气动力学气体运动Ma在图中的平面上靠近气缸中心O运动(O点属于气缸轴线)，而第二进气管5b出口处的空气动力学气体运动Mb在靠近气缸壁处运动。因此，第一进气管5a是进气设备的内管，而第二进气管5b是进气设备的外管。根据一个实施例，第一进气管5a的角度α比第二进气管5b的角度α大。在该情形中，图4是图3所示的进气设备的俯视图。

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，本发明涉及一种包括至少一个气缸的内燃机，每个气缸设有：

-至少一个根据上述变型之一或变型组合的进气设备，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(通过曲柄的旋转)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，发动机还包括用于形成气体/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，发动机不包括用于形成气体/燃料混合物的燃烧的塞。

内燃机可包括多个气缸，特别是三个、四个、五个或六个气缸。

优选地，燃烧发动机可以是每个气缸具有四个阀(两个进气阀和两个排气阀)的发动机。

此外，本发明涉及根据上述变型之一或变型组合的内燃机根据米勒循环或阿特金森循环的用途。

阿特金森循环是用在可变燃烧发动机中的标准热力学循环。

米勒循环是一种热力学循环，特征在于在进气阶段中进气阀在活塞的下死点(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。由于涡滚型空气动力学气体运动的形成，根据本发明的进气设备特别适于在较宽的运行范围上在所谓的“米勒循环”中使用。

图7是根据针对米勒循环的可渗透性系数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比值，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区域的比值。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设备INV用方形表示。可以看出，与现有技术AA的解决方案相比，根据本发明的进气设备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两倍。

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。

当然，本发明不限于上述的作为示例的进气设备的实施例，而是包括任何变型实施例。

示例

通过阅读下面的比较性示例，根据本发明的方法的特征和优点将更明显。

对于该比较性示例，比较了两个进气设备，每个进气设备包括两个基本平行的进气管，具有相同的用于形成滚流型的空气动力学气体运动的装置和不同的用于形成涡旋型的空气动力学气体运动的装置。事实上，并非本发明的第一进气设备包括具有相同角度α的α对称的进气管，而本发明的第二进气设备包括两个具有不同角度α的非对称的进气管，使得内管的角度α1大于外管的角度α2。对于比较性示例，角度α1与并非本发明的示例的角度α的值相同，而角度α2为零。

图5示出了对于每个进气管根据曲轴角度CAD的滚流数T。沿x方向的滚流数定义为气体的围绕质心的、沿x方向(垂直于气缸轴线)的角速度与曲柄的角速度之比。滚流数是无量纲数。关于非本发明进气设备的曲线用NC表示，而关于根据本发明的一实施例的设备的曲线用INV表示。下图是上图对于CAD范围在600至740之间的放大图。相对于非本发明的进气设备，对于本发明的进气设备观察到滚流数增益。

图6示出了对于每个进气管根据曲轴角度CAD的湍流动能TKE。湍流动能TKE代表“被捕获”在空气质量中的能量的量。关于非本发明进气设备的曲线用NC表示，而关于根据本发明的一实施例的进气设备的曲线用INV表示。下图是上图对于CAD范围在600至740之间的放大图。在靠近上止点(顶死点)处观察到湍流动能增益(增加)。这反映了更好的流动能量保存和在靠近上死点处、在压缩结束时更好的到湍流动能的转换，特别是对于在先进的米勒循环中的运行。

因此，使用本发明的进气管获得了明显的燃烧效率增益。