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燃燒發(fā)動機(jī)的消音設(shè)備和方法

閱讀:589發(fā)布:2020-08-12

專利匯可以提供燃燒發(fā)動機(jī)的消音設(shè)備和方法專利檢索,專利查詢,專利分析的服務(wù)。并且系統(tǒng)包括用于引導(dǎo)來自排氣源的排氣的管狀管道(402),復(fù)數(shù)個(gè)通道(404)被排列在所述管狀管道(402)的一個(gè)區(qū)段內(nèi),所述復(fù)數(shù)個(gè)通道(404)中的每一個(gè)具有不同的通路長度和通道橫截面流動區(qū)域以使得大致相等的流速被創(chuàng)建。所述復(fù)數(shù)個(gè)通道(404)的下游跟隨著收集室(414),所述收集室具有足夠大的容積以允許大致相當(dāng)?shù)膲?力 穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道(404)的出口面。這種方式平衡來自通道(404)的每一側(cè)的到達(dá)收集室(414)的聲 能量 并且干擾效果可伴隨創(chuàng)造高效聲音衰減的相等振幅發(fā)生。相應(yīng)的方法也被公開。,下面是燃燒發(fā)動機(jī)的消音設(shè)備和方法專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種系統(tǒng),包括:
管狀管道,用于引導(dǎo)來自于排氣源中的排氣,所述管狀管道包括大致垂直于所述管狀管道中排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
設(shè)置在所述管狀管道的區(qū)段中的復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的所述通道長度和所述通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述管狀管道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;
以及
設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游的收集室,以接收由所述復(fù)數(shù)個(gè)通道所排出的排氣,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致上相當(dāng)?shù)膲?a href='/zhuanli/list-23072-1.html' target='_blank'>力。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括復(fù)數(shù)個(gè)第二通道,位于所述收集室的下游的所述管狀管道中的第二區(qū)段,每一個(gè)第二通道具有第二通道長度和第二通道橫截面流動區(qū)域,每一個(gè)第二通道的所述第二通道長度和所述第二通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述第二通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的第二流動速率。
3.如權(quán)利要求1至2中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中一個(gè)或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面包括具有催化材料的涂層。
4.如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中所述催化涂層催化至少一個(gè)反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在所述排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物。
5.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中一個(gè)或多個(gè)通道至少部分的內(nèi)表面具有經(jīng)粗化處理的表面,以相對于未經(jīng)處理的表面提供增加的表面積。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中所述復(fù)數(shù)個(gè)通道包括金屬片,所述金屬片經(jīng)滾軋以適合安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域中,所述金屬片包括復(fù)數(shù)個(gè)不同長度的槽紋,當(dāng)所述金屬片被滾軋以安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)時(shí),所述槽紋形成所述復(fù)數(shù)個(gè)通道。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),其中所述金屬片具有大致上三形狀,包括第一邊緣、第二邊緣和第三邊緣,其中,每一個(gè)槽紋的軸系大致上平行于所述第一邊緣,并且其中所述金屬片系沿著軋制軸被滾軋,所述軋制軸至少大致地垂直于所述第一邊緣。
8.一種方法,包括:
引導(dǎo)來自于排氣源的排氣通道通過管狀管道,所述管狀管道包括大致上垂直于所述管狀管道中的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
使排氣流過復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述通道設(shè)置在所述管狀管道的區(qū)段中,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一通道的所述通道長度和所述通道橫截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;以及
在收集室中接收排氣,所述收集室設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?br/>9.如權(quán)利要求8所述的方法,進(jìn)一步包括:使排氣流過復(fù)數(shù)個(gè)第二通道,位于所述收集室的下游的所述管狀管道中的第二區(qū)段,每一個(gè)第二通道具有第二通道長度和第二通道橫截面流動區(qū)域,每一個(gè)第二通道的所述第二通道長度和所述第二通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述第二通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的第二流動速率。
10.如權(quán)利要求8至9中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括:催化一反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在所述排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物,所述催化步驟包括用催化材料接觸排氣,所述催化材料至少部分涂覆于一個(gè)或多個(gè)通道的內(nèi)表面。
11.如權(quán)利要求8至10中任一權(quán)利要求所述的方法,其中一個(gè)或多個(gè)通道至少部分的內(nèi)表面具有經(jīng)粗化處理的表面,以相對于未經(jīng)處理的表面提供增加的表面積。
12.如權(quán)利要求8至10中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述復(fù)數(shù)個(gè)通道包括金屬片,所述金屬片經(jīng)滾軋以安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域中,所述金屬片包括復(fù)數(shù)個(gè)不同長度的槽紋,當(dāng)所述金屬片被滾軋以安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)時(shí),所述槽紋形成所述復(fù)數(shù)個(gè)通道。
13.如權(quán)利要求12所述的方法,其中所述金屬片具有大致上的三角形狀,包括第一邊緣、第二邊緣和第三邊緣,其中,每一個(gè)槽紋的軸系大致上平行于所述第一邊緣,并且其中所述金屬片系沿著軋制軸被滾軋,所述軋制軸至少大致地垂直于所述第一邊緣。
14.一種方法,包括:
形成通道陣列,所述通道陣列包括復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道具有通道橫截面流動區(qū)域分布和通道長度,每一通道的所述通道長度和所述通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;
為了引導(dǎo)來自于一排氣源的排氣,定位所述通道陣列以使得所述通道陣列至少部分地填充管狀管道的管道橫截面流動區(qū)域;以及
連接位于所述通道陣列下游的收集室,以接收流出所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致上相當(dāng)?shù)膲毫Α?br/>15.如權(quán)利要求14所述的方法,進(jìn)一步包括:形成位于所述收集室的下游的所述管狀管道中的第二區(qū)段中的復(fù)數(shù)個(gè)第二通道,每一個(gè)第二通道具有第二通道長度和第二通道橫截面流動區(qū)域,每一個(gè)第二通道的所述第二通道長度和所述第二通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述第二通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的第二流動速率。
16.如權(quán)利要求14至15中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括:用包括具有催化材料的涂層,涂覆一個(gè)或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面。
17.如權(quán)利要求16所述的方法,其中所述催化材料催化至少一反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在所述排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物。
18.如權(quán)利要求14至17中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括:粗化一個(gè)或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面,所述粗化步驟相比于未經(jīng)處理的通道表面,增加至少部分所述內(nèi)表面的粗糙度。
19.如權(quán)利要求18所述的方法,其中所述粗化步驟包括將表面粗化處理應(yīng)用于至少部分的所述內(nèi)表面。
20.如權(quán)利要求14至19中任一權(quán)利要求所述的方法,其中形成所述復(fù)數(shù)個(gè)通道包括在大致上呈三角形狀的金屬片上建造復(fù)數(shù)個(gè)槽紋,所述金屬片包括第一邊緣、第二邊緣和第三邊緣,所述復(fù)數(shù)個(gè)槽紋以一距離被間隔,所述距離與所述第二和所述第三邊緣的間的距離成正比,且所述復(fù)數(shù)個(gè)槽紋具有形成所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的不同長度,當(dāng)所述金屬片沿著軋制軸被滾軋時(shí),所述軋制軸至少大致地垂直于所述第一邊緣以適合于所述管道橫截面流動區(qū)域中。
21.一種方法,包括:
創(chuàng)建燃燒混合物,所述燃燒混合物包括內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒體積中的一定量的空氣、一定量的燃料和一定量的;
壓縮所述燃燒混合物,所述壓縮包括以所述壓縮比減少所述燃燒體積,所述減少所述燃燒體積包括在第一方向上的活塞運(yùn)動;
點(diǎn)火并燃燒所述燃燒混合物以形成排氣混合物,所述排氣混合物包括水蒸氣和其它燃燒產(chǎn)物,所述燃燒產(chǎn)生所述燃燒體積內(nèi)的峰值燃燒溫度,由于所述一定量的水,所述峰值燃燒溫度小于預(yù)定義的最大峰值燃燒溫度,所述燃燒包括以膨脹比膨脹所述燃燒體積,所述膨脹包括在與所述第一方向相反的第二方向上的活塞運(yùn)動;以及
從所述燃燒體積中排出所述排氣混合物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法,其中所述一定量的水是所述一定量的燃料的大約2倍或更多。
23.如權(quán)利要求21至22中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述壓縮比大約是10∶1或更大。
24.如權(quán)利要求21至23中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括在所述點(diǎn)火之后以及所述排氣之前將額外量的水注入至所述燃燒室。
25.如權(quán)利要求21至24中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述額外量的水是在所述一定量的燃料的大約3倍至4倍的范圍內(nèi)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法,其中所述注入的額外量的水包括增加的燃燒體積中的壓力至約1400psi或更大。
27.如權(quán)利要求21至26中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述膨脹比在約35∶1的范圍內(nèi)。
28.如權(quán)利要求21至27中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括從排氣流中冷凝液相水,所述冷凝包括使排氣通過冷凝器系統(tǒng),所述冷凝器系統(tǒng)能夠?qū)⑺雠艢饬髦兄辽僖恍┑乃鏊魵廪D(zhuǎn)化為液相。
29.如權(quán)利要求21至28中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述燃燒室包括至少一個(gè)內(nèi)表面所述至少一個(gè)內(nèi)表面包括催化材料涂層,所述催化材料涂層包括催化材料粒子以促進(jìn)在所述廢氣混合物的形成過程中的類和一中的至少一種的更完全的燃燒。
30.如權(quán)利要求21至29中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述預(yù)定義的閾值溫度在氮氧化物的形成溫度之下。
31.如權(quán)利要求21至30中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述燃燒混合物的所述創(chuàng)建包括將空氣和空氣-燃料混合物中的至少一種通過進(jìn)氣控制的進(jìn)氣口傳送至所述燃燒體積。
32.如權(quán)利要求31所述的方法,所述燃燒混合物的所述創(chuàng)建進(jìn)一步包括關(guān)閉所述進(jìn)氣閥,然后將水直接注入所述燃燒體積。
33.一種方法,包括:
在均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的燃燒室中點(diǎn)燃燃燒混合物,所述點(diǎn)火包括在靠近火焰前緣控制特征的所需物理位置處引起點(diǎn)火;
指引所述點(diǎn)燃的燃燒混合物的火焰前緣沿著所述燃燒室內(nèi)的優(yōu)選路徑,所述指引包括引導(dǎo)具有所述火焰前緣控制特征的火焰前緣引起所需的燃燒持續(xù)時(shí)間。
34.如權(quán)利要求33所述的方法,進(jìn)一步包括通過在表面上使用可變的絕緣層改變活塞頭的表面溫度以引起所述點(diǎn)火發(fā)生在所述所需的物理位置。
35.如權(quán)利要求33至34中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述火焰前緣控制特征包括形成于活塞頭上的肩部,所述肩部引導(dǎo)所述火焰前緣圍繞至少一部分的所述活塞的圓周。
36.如權(quán)利要求33至35中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述所需的點(diǎn)火位置包括火花塞。
37.一種系統(tǒng),包括:
位于內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)的火焰前緣控制特征;
所需的點(diǎn)火位置位于所述燃燒室內(nèi),所述所需的點(diǎn)火位置具有足夠的熱能以點(diǎn)燃燃料-空氣混合物,所述所需的點(diǎn)火位置靠近所述燃燒室內(nèi)的所述火焰前緣控制特征,以使得經(jīng)由所述所需點(diǎn)火位置的所述燃燒室中的所述燃燒混合物的點(diǎn)火引起被點(diǎn)燃的燃燒混合物的火焰前緣沿著所述燃燒室內(nèi)的優(yōu)選路徑,并伴隨著火焰前緣控制特征以造成所需的燃燒持續(xù)時(shí)間。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng),進(jìn)一步包括在所述燃燒室內(nèi)的活塞頭,所述活塞頭包括可變的絕緣層以引起所述點(diǎn)火發(fā)生在所述所需的物理位置。
39.如權(quán)利要求37至38中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中所述火焰前緣控制特征包括形成于活塞頭上的肩部,所述肩部引導(dǎo)所述火焰前緣圍繞至少一部分的所述活塞的圓周。
40.如權(quán)利要求37至39中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中所述所需點(diǎn)火位置可選地包括火花塞。
41.一種方法,包括:
打開進(jìn)氣口,進(jìn)氣口輸送包括空氣或空氣和燃料的流體至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室以用于當(dāng)前發(fā)動機(jī)循環(huán)中的燃燒,所述打開包括移動第一套筒閥離開第一關(guān)閉位置;
關(guān)閉來自在先發(fā)動機(jī)循環(huán)的排氣混合物經(jīng)過的排氣口,所述排氣混合物被從所述燃燒室移除;
以第一覆蓋特征暫時(shí)覆蓋所述燃燒室的第一側(cè)上的至少一部分的所述進(jìn)氣口,所述第一覆蓋特征在所述第一套筒閥的第一圓周內(nèi)移動的第一活塞上,以及以第二覆蓋特征暫時(shí)覆蓋與燃燒室的第一側(cè)相反的第二側(cè)上的至少一部分的排氣口,所述第二覆蓋特征在所述第二套筒閥的第二圓周內(nèi)移動的第二活塞上,所述覆蓋要求流體經(jīng)過至少部分的所述燃燒室的直徑以在所述關(guān)閉完成之前退出所述燃燒室。
42.一種系統(tǒng),包括:
進(jìn)氣口,用于輸送包括空氣和/或燃料的流體至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室;
第一套筒閥,可操作地離開第一關(guān)閉位置以打開所述進(jìn)氣口以輸送流體用于當(dāng)前發(fā)動機(jī)循環(huán)的燃燒;
排氣口,配置為從所述燃燒室中移除來自在先發(fā)動機(jī)循環(huán)的排氣混合物;
第二套筒閥,可操作地移向第一關(guān)閉位置以關(guān)閉所述排氣口,于在先循環(huán)結(jié)束處的所述排氣口的所述關(guān)閉不會在所述進(jìn)氣口開始打開之前完成;
在所述第一套筒閥的第一圓周內(nèi)移動的第一活塞,所述第一活塞包括第一覆蓋特征,所述第一覆蓋特征暫時(shí)覆蓋所述燃燒室的第一側(cè)上的至少一部分的所述進(jìn)氣口;
在所述第二套筒閥的第二圓周內(nèi)移動的第二活塞,所述第二活塞包括第二覆蓋特征,所述第二覆蓋特征暫時(shí)覆蓋與所述燃燒室的所述第一側(cè)相反的第二側(cè)上的至少一部分的所述排氣口,以使得需要的流體經(jīng)過至少部分的所述燃燒室的直徑以在所述關(guān)閉完成之前退出所述燃燒室。
43.一種方法,包括:
創(chuàng)建來自內(nèi)燃機(jī)的在先循環(huán)的排氣和在排氣歧管中的燃料的混合物;
引導(dǎo)所述混合物至內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管并進(jìn)入燃燒體積以用于新循環(huán)中的燃燒;
加入空氣到所述混合物;
壓縮所述混合物,所述壓縮包括由壓縮比減少所述燃燒體積,所述減少所述燃燒體積包括在第一方向上的活塞運(yùn)動;
點(diǎn)燃并燃燒所述燃燒混合物以形成排氣混合物,所述混合物中包括水蒸氣和其他燃燒產(chǎn)物,所述燃燒產(chǎn)生所述燃燒體積內(nèi)的峰值燃燒溫度,所述峰值燃燒溫度由于一定量的排氣而小于預(yù)定義的最大峰值溫度,所述燃燒包括由膨脹比膨脹所述燃燒體積,所述膨脹包括在與所述第一方向相反的第二方向上的所述活塞運(yùn)動;
從所述燃燒體積中排出所述排氣混合物。
44.如權(quán)利要求43所述的方法,進(jìn)一步包括允許初始反應(yīng)發(fā)生在所述混合物中,以準(zhǔn)備用于在均質(zhì)充量壓縮模式中燃燒的所述混合物。
45.如權(quán)利要求43至44中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述添加空氣發(fā)生在進(jìn)氣歧管中。
46.如權(quán)利要求43至45中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括在所述混合物中添加一定量的液態(tài)水。
47.如權(quán)利要求46所述的方法,其中所述添加一定量的水包括關(guān)閉來自所述進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣閥,然后將水直接注入到所述燃燒體積中所述混合物中。
48.如權(quán)利要求43至47中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括冷凝來自所述排氣流的液相水,所述冷凝包括通過冷凝器系統(tǒng)流經(jīng)所述排氣混合物,所述冷凝器系統(tǒng)將所述排氣流中至少一些所述水蒸氣轉(zhuǎn)換為所述液相。
49.如權(quán)利要求43至48中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述燃燒室包括至少一個(gè)內(nèi)表面,所述至少一個(gè)內(nèi)表面可包括催化材料涂層,所述催化材料涂層包括催化材料粒子,以促進(jìn)在所述排氣混合物的形成過程中的烴類和一氧化碳中的至少一種的更完全的燃燒。
50.如權(quán)利要求43至49中任一權(quán)利要求所述的方法,其中預(yù)定義的閾值溫度在氮氧化物的形成溫度之下。
1.一種系統(tǒng),包括:
管狀管道,用于引導(dǎo)來自于排氣源中的排氣,所述管狀管道包括大致垂直于所述管狀管道中排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
設(shè)置在所述管狀管道的區(qū)段中的復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,以及至少一些所述的復(fù)數(shù)個(gè)通道具有不同的通道長度和不同的通道橫截面流動區(qū)域,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的所述通道長度和所述通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;以及
設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游的收集室,以接收由所述復(fù)數(shù)個(gè)通道所排出的排氣,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致上相當(dāng)?shù)膲毫Α?br/>2.一種系統(tǒng),包括:
管狀導(dǎo)管,引導(dǎo)產(chǎn)生于排氣源的排氣,所述管狀導(dǎo)管包括大致垂直于所述管狀導(dǎo)管內(nèi)的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
復(fù)數(shù)個(gè)通道,設(shè)置在所述管狀導(dǎo)的一區(qū)段中,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)的所述通道長度和所述通道截面流動區(qū)域被配成對,以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;
收集室,設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游,以接收排出所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致上相當(dāng)?shù)膲毫Γ灰约?br/>復(fù)數(shù)個(gè)第二通道,位于所述收集室的下游的所述管狀管道中的第二區(qū)段,每一個(gè)第二通道具有第二通道長度和第二通道橫截面流動區(qū)域,每一個(gè)第二通道的所述第二通道長度和所述第二通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)每一個(gè)所述第二通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的第二流動速率。
3.如權(quán)利要求1至2中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中一個(gè)或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面包括具有催化材料的涂層。
4.一種系統(tǒng),包括:
管狀導(dǎo)管,引導(dǎo)產(chǎn)生于排氣源的排氣,所述管狀導(dǎo)管包括大致垂直于所述管狀導(dǎo)管內(nèi)的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
復(fù)數(shù)個(gè)通道,設(shè)置在所述管狀導(dǎo)的一區(qū)段中,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的所述通道長度和所述通道截面流動區(qū)域被配成對,以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的所述每一個(gè)的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的一個(gè)或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面可選地包括包含催化材料的涂層;
收集室,設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游,以接收排出所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致上相當(dāng)?shù)膲毫?br/>5.如權(quán)利要求3至4中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其中所述催化涂層催化至少一個(gè)反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中一個(gè)或多個(gè)通道至少部分的內(nèi)表面具有經(jīng)粗化處理的表面,以相對于未經(jīng)處理的表面提供增加的表面積。
7.如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng),其中所述復(fù)數(shù)個(gè)通道包括金屬片,所述金屬片經(jīng)滾軋以適合安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域中,所述金屬片包括復(fù)數(shù)個(gè)不同長度的槽紋,當(dāng)所述金屬片被滾軋以安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)時(shí),所述槽紋形成所述復(fù)數(shù)個(gè)通道。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中所述金屬片具有大致上三角形狀,包括第一邊緣、第二邊緣和第三邊緣,其中,每一個(gè)槽紋的軸系大致上平行于所述第一邊緣,并且其中所述金屬片系沿著軋制軸被滾軋,所述軋制軸至少大致地垂直于所述第一邊緣。
9.一種方法,包括:
引導(dǎo)來自于排氣源的排氣通道通過管狀管道,所述管狀管道包括大致上垂直于所述管狀管道中的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
使排氣流過復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述通道設(shè)置在所述管狀管道的區(qū)段中,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,以及至少一些所述的復(fù)數(shù)個(gè)通道具有不同的通道長度和不同的通道橫截面流動區(qū)域,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一通道的所述通道長度和所述通道橫截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;以及
在收集室中接收排氣,所述收集室設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?br/>10.一種方法,包括:
引導(dǎo)來自于排氣源的排氣通道通過管狀管道,所述管狀管道包括大致上垂直于所述管狀管道中的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
使排氣流過復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述通道設(shè)置在所述管狀管道的區(qū)段中,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,每一通道中的所述通道長度和所述通道橫截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;以及
在收集室中接收排氣,所述收集室設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫?;以及使排氣流過復(fù)數(shù)個(gè)第二通道,位于所述收集室的下游的所述管狀管道中的第二區(qū)段,每一個(gè)第二通道具有第二通道長度和第二通道橫截面流動區(qū)域,每一個(gè)第二通道的所述第二通道長度和所述第二通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述第二通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的第二流動速率。
11.如權(quán)利要求9至10中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括:催化一反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在所述排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物,所述催化步驟包括用催化材料接觸排氣,所述催化材料至少部分涂覆于一個(gè)或多個(gè)通道的內(nèi)表面。
12.一種方法,包括:
引導(dǎo)來自于排氣源的排氣通道通過管狀管道,所述管狀管道包括大致上垂直于所述管狀管道中的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域;
使所述排氣流過復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述通道設(shè)置在所述管狀管道的區(qū)段中,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道具有通道長度和通道橫截面流動區(qū)域,所述通道長度和所述通道橫截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一個(gè)通道的所述排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;
包括催化一反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物,所述催化包括用催化材料接觸所述排氣,所述催化材料至少部分涂覆于所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的一個(gè)或多個(gè)通道的內(nèi)表面;以及
在收集室中接收所述排氣,所述收集室設(shè)置在所述復(fù)數(shù)個(gè)通道下游,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得所述收集容積內(nèi)的所述排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?br/>13.如權(quán)利要求11至12中任一權(quán)利要求所述的方法,其中一個(gè)或多個(gè)通道至少部分的內(nèi)表面具有經(jīng)粗化處理的表面,以相對于未經(jīng)處理的表面提供增加的表面積。
14.如權(quán)利要求9至13中任一權(quán)利要求所述的方法,其中所述復(fù)數(shù)個(gè)通道包括金屬片,所述金屬片經(jīng)滾軋以安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域中,所述金屬片包括復(fù)數(shù)個(gè)不同長度的槽紋,當(dāng)所述金屬片被滾軋以安裝在所述管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)時(shí),所述槽紋形成所述復(fù)數(shù)個(gè)通道。
15.如權(quán)利要求14所述的方法,其中所述金屬片具有大致上的三角形狀,包括第一邊緣、第二邊緣和第三邊緣,其中,每一個(gè)槽紋的軸系大致上平行于所述第一邊緣,并且其中所述金屬片系沿著軋制軸被滾軋,所述軋制軸至少大致地垂直于所述第一邊緣。
16.一種方法,包括:
形成通道陣列,所述通道陣列包括復(fù)數(shù)個(gè)通道,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道具有通道橫截面流動區(qū)域分布和通道長度,所述復(fù)數(shù)個(gè)通道中的每一通道的所述通道長度和所述通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的流動速率;
為了引導(dǎo)來自于一排氣源的排氣,定位所述通道陣列以使得所述通道陣列至少部分地填充管狀管道的管道橫截面流動區(qū)域;以及
連接位于所述通道陣列下游的收集室,以接收流出所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的排氣,所述收集室具有足夠大的收集容積,以使得收集容積內(nèi)的所述排氣穿過所述復(fù)數(shù)個(gè)通道的每一個(gè)通道的出口面呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?br/>17.如權(quán)利要求16所述的方法,進(jìn)一步包括:形成位于所述收集室的下游的所述管狀管道中的第二區(qū)段中的復(fù)數(shù)個(gè)第二通道,每一個(gè)第二通道具有第二通道長度和第二通道橫截面流動區(qū)域,每一個(gè)第二通道的所述第二通道長度和所述第二通道截面流動區(qū)域被配成對,用以為流經(jīng)所述第二通道的排氣產(chǎn)生大致上相等的第二流動速率。
18.如權(quán)利要求16至17中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括:用包括具有催化材料的涂層,涂覆一個(gè)或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面。
19.如權(quán)利要求18所述的方法,其中所述催化材料催化至少一反應(yīng),所述反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一個(gè)在所述排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一個(gè)目標(biāo)化合物。
20.如權(quán)利要求16至19中任一權(quán)利要求所述的方法,進(jìn)一步包括:粗化一個(gè)或多個(gè)通

說明書全文

燃燒發(fā)動機(jī)的消音設(shè)備和方法

[0001] 對相關(guān)申請的交互引用
[0002] 根據(jù)35U.S.C.§119(e),本申請涉及/要求2010年10月8日遞交的美國臨時(shí)申請案61/391,530,專利名稱為“Control of Internal Combustion Engine Combustion Conditions and Exhaust Emissions”的優(yōu)先權(quán),本發(fā)明涉及共同未決的和共同擁有的國際專利申請PCT/US2011/027775,專利名稱為“Multi-Mode High Efficiency Internal Combustion Engine”,同時(shí)涉及共同未決的和共同擁有的國際專利申請PCT/US2011/055457,專利名稱為“Single Piston Sleeve Valve with Optional Variable Compression Ratio Capability”。在本自然段中所列的每一發(fā)明的公開內(nèi)容和附圖以參考方式被整體合并于此。

技術(shù)領(lǐng)域

[0003] 本文描述的主題一般涉及內(nèi)燃機(jī),尤其涉及可在效率和/或污染物排放率方面提供改進(jìn)的的操作模式、燃燒條件和排放控制方法。

背景技術(shù)

[0004] 內(nèi)燃機(jī)通常用于為機(jī)動車輛以及其他應(yīng)用中提供動,例如割草機(jī)和其他農(nóng)業(yè)和環(huán)境美化設(shè)備、發(fā)電機(jī)達(dá)、船、飛機(jī),等等。這種發(fā)動機(jī)目前可用的操作模式、物理特性等等提供燃油率、輸出功率和污染物排放特性,鑒于日益增加對于資源稀缺和環(huán)境退化的擔(dān)憂,這些特性是不利的。內(nèi)燃機(jī)可以包括,但不限于傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)、直接或間接噴射柴油發(fā)動機(jī)和均質(zhì)充氣壓縮點(diǎn)火(HCCI)發(fā)動機(jī)。
[0005] 內(nèi)燃機(jī)中的燃料轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換通過一系列的小爆炸或燃燒發(fā)生。內(nèi)燃機(jī)的類型可以因這些小爆炸或燃燒發(fā)生的方式而不同。在火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中,燃料與空氣混合被送入燃燒室中,在燃燒室中燃料與空氣的混合被活塞的運(yùn)動壓縮并由來自火花塞或其它控制的點(diǎn)火源的火花點(diǎn)燃。在柴油發(fā)動機(jī)中,燃燒室中的進(jìn)氣首先被壓縮,然后噴射燃料并由空氣的加熱進(jìn)行點(diǎn)燃,空氣的加熱的發(fā)生是由于空氣的壓縮。在HCCI發(fā)動機(jī)中,充分混合的燃料和化劑(一般是空氣)注入燃燒室并被壓縮至自動點(diǎn)火的點(diǎn)。
[0006] 在某些情況下,通過增加發(fā)動機(jī)的壓縮比,可以提高較低發(fā)動機(jī)負(fù)載的效率。壓縮比是在點(diǎn)火前的空氣-燃料混合物被壓縮的程度的量度,并且被定義為發(fā)動機(jī)燃燒室的膨脹體積除以發(fā)動機(jī)燃燒室的壓縮體積。相比于以較低壓縮比運(yùn)轉(zhuǎn)的相同的發(fā)動機(jī),在標(biāo)準(zhǔn)的奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)中的高壓縮比通常會導(dǎo)致活塞在動力沖程中執(zhí)行較長的膨脹,以及隨之而來做更多的功。使用汽油辛烷值為87的汽油動力汽車的壓縮比范圍通常在約8.5∶1到10∶1之間。
[0007] 由發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)的最大壓縮比可以由空氣-燃料混合物在高溫下不受控制的預(yù)先(即,在預(yù)期定時(shí)之前)點(diǎn)火進(jìn)行限制,通常被稱為發(fā)動機(jī)爆震問題。當(dāng)混合物在足夠長的一段時(shí)間暴露于高溫時(shí),爆震可能會作為燃料進(jìn)入易燃分子片段的分離的結(jié)果而發(fā)生。高溫暴露可能會導(dǎo)致這些片段啟動在正常燃燒包絡(luò)區(qū)域之外的不受控制的爆炸。例如,自動點(diǎn)火通常會發(fā)生在活塞到達(dá)壓縮沖程的上止點(diǎn)(TDC)位置之前,所以在某些情況下,爆震可以發(fā)生在活塞通過TDC并開始膨脹沖程之前。當(dāng)末端氣體被加熱和被已燃燒的混合物壓縮時(shí),自動點(diǎn)火也可以發(fā)生在膨脹沖程上,以使得小量的燃燒混合物點(diǎn)燃正常燃燒包絡(luò)區(qū)域的外部。發(fā)動機(jī)爆震會導(dǎo)致燃燒室里面的聲音和潛在的破壞性壓力波。爆震是與更普通的自動點(diǎn)火問題有關(guān)的特殊問題。在本文中,自動點(diǎn)火是指在火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中的例子,在火花式點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中,點(diǎn)火的發(fā)生不取決于火花何時(shí)被點(diǎn)燃,因?yàn)榫|(zhì)點(diǎn)火或由表面點(diǎn)火啟動的燃燒先于火花事件。在柴油或HCCI發(fā)動機(jī)中,其中每個(gè)都依賴于自動點(diǎn)火啟動每個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán)中的發(fā)動機(jī)燃燒,先期點(diǎn)火由于燃料空氣-燃料混合物的過度熱預(yù)激活可能不希望在活塞被適當(dāng)定位至最有效的轉(zhuǎn)化釋放的能量為有用的機(jī)械功的位置之前提供類似燃料燃燒太快或點(diǎn)燃的效果。
[0008] 除了高壓縮比的多種因素可能特別影響爆震的發(fā)生以及通常影響,是自動點(diǎn)火或預(yù)先點(diǎn)火。在火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中,低辛烷值汽油會比高辛烷值汽油更容易在較低溫度下自燃。發(fā)動機(jī)中的熱壁或活塞式溫度也可以趨向于增加空氣-燃料混合物的加熱,從而提高燃料自燃的傾向,作為局部熱點(diǎn),如在排氣的附近,可能導(dǎo)致空氣-燃料混合物的局部加熱和在該熱點(diǎn)區(qū)域的爆震。促進(jìn)燃料的良好混合和快速燃燒的燃料-空氣混合物的快速燃燒率,例如由于高位震蕩,可以降低自燃的可能性。然而,高進(jìn)氣流場震蕩也可以增加進(jìn)氣口的空氣-燃料混合物的溫度上升,增加了自燃的可能性。增加在混合物中的燃料量至化學(xué)計(jì)量比(即,精確足夠的氧氣被提供用于在燃料完全轉(zhuǎn)換為完全氧化的最終產(chǎn)品(例如和二氧化)過程中被完全消耗比例),可以增加所釋放的能量及末端氣體的壓力和溫度,將會影響爆震的趨勢。預(yù)先點(diǎn)火定時(shí)也可以產(chǎn)生高峰值壓力和溫度,從而有助于在某些條件下自動點(diǎn)火的趨勢。
[0009] 在機(jī)動車輛和其它應(yīng)用中,來自內(nèi)燃機(jī)的排氣通常經(jīng)過消音器以減少散發(fā)的噪音,且由于現(xiàn)今對空氣污染物的關(guān)心,通過催化轉(zhuǎn)化器或其它設(shè)備,以產(chǎn)生由燃燒礦物燃料所形成的較不需要的燃燒副產(chǎn)品的反應(yīng),或以其它方式減少該燃燒副產(chǎn)品的濃度。

發(fā)明內(nèi)容

[0010] 集成消音器和發(fā)動機(jī)尾氣的排放控制。一方面,本發(fā)明的系統(tǒng)包括:引導(dǎo)產(chǎn)生于排氣源的排氣的管狀導(dǎo)管。管狀導(dǎo)管包括大致垂直于管狀導(dǎo)管內(nèi)的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域。復(fù)數(shù)個(gè)通道被設(shè)置在管狀導(dǎo)的一區(qū)段之管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)并且至少部分在部分的管狀導(dǎo)管處填充管道橫截面流動區(qū)域。每一組通道具有通道長度和通道截面流動區(qū)域,兩者配成對用以為流經(jīng)每組通道的排氣產(chǎn)生大致相等的流動速率。設(shè)置在通道下游的收集室接收排出通道的排氣。收集室具有足夠大的收集容積以使得收集容積內(nèi)的排氣在穿過每組通道的出口面時(shí)呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?/div>
[0011] 在相關(guān)聯(lián)的方面,本發(fā)明的方法包括:引導(dǎo)排氣源中的排氣通過管狀導(dǎo)管,管狀導(dǎo)管包括大致垂直于管狀導(dǎo)管內(nèi)的排氣流動方向的管道橫截面流動區(qū)域。方法也包括引起排氣流經(jīng)復(fù)數(shù)個(gè)通道,復(fù)數(shù)個(gè)通道被設(shè)置在管狀導(dǎo)處之一區(qū)段之管道橫截面流動區(qū)域內(nèi),且至少部分地填滿管道橫截面流動區(qū)域。每一通道具有通道長度和通道截面流動區(qū)域,兩者配成對,用以為流經(jīng)每一通道的排氣產(chǎn)生創(chuàng)造大致相等的流動速率。排氣被收集在設(shè)置在通道下游的收集室中。收集室具有足夠大的收集容積以使得收集容積內(nèi)的排氣在穿過每組通道的出口面時(shí)呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?/div>
[0012] 在另一相關(guān)聯(lián)方面,本發(fā)明的方法包括形成由通道所組成的一陣列,該通道陣列包括橫截面流動區(qū)域的分布。每一通道具有通道長度和通道截面流動區(qū)域,兩者配成對用以為流經(jīng)每一通道的排氣產(chǎn)生大致相等的流動速率。為了引導(dǎo)來自于排氣源的排氣,通道陣列被設(shè)置以使得通道陣列至少部分填充管狀管道的管道橫截面流動區(qū)域。設(shè)置在通道陣列下游的收集室接收排出通道的排氣。收集室具有足夠大的收集容積以使得收集容積內(nèi)的排氣在穿過每組通道的出口面時(shí)呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?/div>
[0013] 在一些變化中,一個(gè)或多個(gè)下列特征可選地被包括在任何可行的組合中。復(fù)數(shù)個(gè)第二通道可選地備設(shè)置在收集室的管狀管道下游的第二區(qū)段中。每一第二通道可以包括第二通道長度和第二通道截面流動區(qū)域,兩者成對用以為流經(jīng)每組第二通道的排氣產(chǎn)生大致相等的第二流動速率。至少部分的一或多個(gè)通道的內(nèi)部表面區(qū)域可選地包括一催化材料涂層。催化材料涂層可選地包括催化至少一個(gè)反應(yīng),該反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一種呈現(xiàn)在排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一種目標(biāo)化合物。經(jīng)粗化處理的表面提供相對于未處理表面增加的表面積,以應(yīng)用于一或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面。復(fù)數(shù)個(gè)通道可選地包括一金屬片,金屬片被滾軋以安裝在管道橫截面流動區(qū)域中。金屬片可選地包括不同長度的槽紋,用以當(dāng)金屬片被滾軋而在管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)安裝時(shí)形成復(fù)數(shù)個(gè)通道。金屬片可選地具有大致上三形狀,三角形狀包括第一邊緣、第二邊緣和第三邊緣。槽紋組中的每一槽紋的軸可選地被大致對齊平行第一邊緣。金屬片可選地沿著軋制軸被滾軋,軋制軸至少大致垂直于第一邊緣。
[0014] 本發(fā)明實(shí)施例可提供一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如,集成消音器和催化轉(zhuǎn)化器至單個(gè)單元和設(shè)備以節(jié)約尺寸和重量,此對小型車中有利,小型車?yán)缒ν熊?、踏片車或輕型汽車。
[0015] 具有非對稱的壓縮和膨脹比的水注入內(nèi)燃機(jī)。一方面,方法包括創(chuàng)建燃燒混合物,該燃燒混合物包括內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒體積中的一定量的空氣、一定量的燃料和一定量的水。燃燒混合物被壓縮,例如,通過減少燃燒體積的壓縮比。燃燒體積的減少包括在第一方向上的活塞運(yùn)動。燃燒混合物被點(diǎn)燃并燃燒以形成包括水蒸氣和其它燃燒產(chǎn)物的排氣混合物。
由于一定量的水,燃燒產(chǎn)生燃燒體積內(nèi)的峰值燃燒溫度小于預(yù)定義的最大峰值溫度。燃燒包括由膨脹比膨脹燃燒體積。膨脹包括在與第一方向相反的第二方向上的活塞的移動。排氣混合物從燃燒體積排出。
[0016] 在上述概括方面的一些變化中,一個(gè)或多個(gè)以下特征可選地被包括在任何可行的組合中。水量可選地約為燃料量的2倍或以上。壓縮比可以選地近乎10∶1或更大。該方法還可進(jìn)一步包括在點(diǎn)燃之后燒盡之前將附加量的水注入燃燒體積。附加量的水可選地在燃料量的約3至4倍的范圍內(nèi)。注入的額外量的水可選地包括在燃燒體積中增加壓力至大約1400psi或更大。膨脹比在約35∶1的范圍內(nèi)可任選。該方法可選地進(jìn)一步包括來自排氣流中的冷凝液相水。冷凝可選地包括通過冷凝器系統(tǒng)流經(jīng)排氣,冷凝器系統(tǒng)能將排氣流中至少一些水蒸氣轉(zhuǎn)換為液相。燃燒室可選地包括至少一個(gè)內(nèi)表面。該至少一個(gè)內(nèi)表面可選地包括包含催化材料的涂層。催化材料涂層可選地包括催化材料粒子以促進(jìn)在排氣混合物的形成過程中的類和一氧化碳中的至少一種的更完全的燃燒。這些涂層可選地結(jié)合陶瓷涂層,這將進(jìn)一步限制發(fā)動機(jī)冷卻的熱損失量。預(yù)定義的閾值溫度可選地在氮氧化物(NOx)的形成溫度之下。燃燒混合物的創(chuàng)建可選地包括將空氣和空氣-燃料混合物中的至少一種通過進(jìn)氣閥控制的進(jìn)氣口傳送入燃燒體積。燃燒混合物的創(chuàng)建可選地進(jìn)一步包括關(guān)閉進(jìn)氣閥,然后將水直接注入燃燒體積。
[0017] HCCI發(fā)動機(jī)的受控的燃燒持續(xù)時(shí)間。一方面,系統(tǒng)包括設(shè)于內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中的火焰前緣控制特征。所需的點(diǎn)火位置也位于燃燒室中。所需的點(diǎn)火位置具有足夠的熱能以點(diǎn)燃燃料-空氣混合物。所需的點(diǎn)火位置靠近燃燒室內(nèi)的火焰前緣控制特征,以使得經(jīng)由所需點(diǎn)火位置的燃燒室中的燃燒混合物的點(diǎn)火引起被點(diǎn)燃的燃燒混合物的火焰前緣沿著燃燒室內(nèi)的優(yōu)選路徑并伴隨著火焰前緣控制特征引起所需的燃燒持續(xù)時(shí)間。
[0018] 在一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面,方法包括在均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的燃燒室中點(diǎn)燃燃燒混合物。點(diǎn)火包括在靠近火焰前緣控制特征的所需物理位置處引起點(diǎn)火。指引點(diǎn)燃的燃燒混合物的火焰前緣沿著燃燒室內(nèi)的優(yōu)選路徑。指引包括引導(dǎo)具有火焰前緣控制特征的火焰前緣引起所需的燃燒持續(xù)時(shí)間。
[0019] 在上述概括的方面的一些變化中,一個(gè)或多個(gè)下列特征可選地被包括在任何可行的組合中。通過在表面上使用可變的絕緣層活塞頭的表面溫度可選地被改變,以引起點(diǎn)火發(fā)生在所需的物理位置。火焰前緣控制特征可選地包括形成于活塞頭上的肩部,其引導(dǎo)火焰前緣圍繞至少一部分的活塞的圓周。所需點(diǎn)火位置可選地包括火花塞。
[0020] 套筒閥的活塞覆蓋。一方面,系統(tǒng)包括用于輸送包括空氣和/或燃料的流體至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的進(jìn)氣口;第一套筒閥,其可操作地離開第一關(guān)閉位置以打開進(jìn)氣口以輸送流體用于當(dāng)前發(fā)動機(jī)循環(huán)的燃燒;排氣口,配置為從燃燒室中移除來自在先發(fā)動機(jī)循環(huán)的排氣混合物;以及第二套筒閥,其可操地移向第一關(guān)閉位置以關(guān)閉排氣口。在在先循環(huán)結(jié)束處的排氣口的關(guān)閉不會在進(jìn)氣口開始的打開之前完成。系統(tǒng)還包括在第一套筒閥的第一圓周內(nèi)移動的第一活塞以及在第二套筒閥的第二圓周內(nèi)移動的第二活塞。第一活塞包括第一覆蓋特征,該第一覆蓋特征暫時(shí)覆蓋燃燒室的第一側(cè)上的至少一部分的進(jìn)氣口以及第二活塞包括第二覆蓋特征,該第二覆蓋特征暫時(shí)覆蓋與燃燒室的第一側(cè)相反的第二側(cè)上的至少一部分的排氣口,以使得需要的流體經(jīng)過至少部分的燃燒室的直徑以在關(guān)閉完成之前退出燃燒室。
[0021] 在一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面,方法包括打開進(jìn)氣口,進(jìn)氣口輸送包括空氣或空氣和燃料的流體至內(nèi)燃機(jī)的燃燒室,以用于當(dāng)前發(fā)動機(jī)循環(huán)中的燃燒。打開程序包括移動第一套筒閥離開第一關(guān)閉位置。來自在先發(fā)動機(jī)循環(huán)的排氣混合物被從燃燒室移除,排氣混合物穿過該排氣口,排氣口被關(guān)閉,例如通過朝向第二關(guān)閉位置移動第二套筒閥。在打開程序開始之前關(guān)閉程序不會完成。在燃燒室的第一側(cè)上的至少部分的進(jìn)氣口被暫時(shí)由在第一套筒閥的第一圓周內(nèi)移動的第一活塞上的第一覆蓋特征所覆蓋,以及在與第一側(cè)相反的燃燒室的一側(cè)上的至少部分的排氣口被暫時(shí)由在第二套筒閥的第二圓周內(nèi)移動的第二活塞上的第二覆蓋特征所覆蓋。覆蓋要求流體穿過至少部分的燃燒室的直徑以在關(guān)閉被完成之前退出燃燒室。
[0022] 在上述概括方面的一些變化中,一個(gè)或多個(gè)下列特征可選地被包括在任何可行的組合中。第一覆蓋特征和/或第二覆蓋特征可選地包括在各自的活塞頭上的肩部,該肩部包括凹槽或一些其他類型的在對應(yīng)于每一個(gè)閥的未覆蓋部分的活塞的一側(cè)上的間隙。
[0023] 燃料與排氣的預(yù)混合。一方面,方法包括創(chuàng)建來自內(nèi)燃機(jī)前一循環(huán)的排氣和排氣歧管中的燃料的混合物,引導(dǎo)該混合物至內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管和用于新循環(huán)中的燃燒的燃燒體積,向混合物中加入空氣并壓縮該混合物。壓縮包括由壓縮比減少燃燒體積。減少燃燒體積包括在第一方向上的活塞的運(yùn)動。燃燒混合物被點(diǎn)燃并燃燒以形成排氣混合物,該排氣混合物包括水蒸氣和其它燃燒產(chǎn)物同時(shí)在燃燒體積中產(chǎn)生峰值燃燒溫度,該峰值燃燒溫度由于排氣量小于預(yù)定義的最大峰值溫度。燃燒包括通過在與第一方向相反的第二方向上的活塞的運(yùn)動由膨脹比膨脹燃燒體積。排氣混合物從燃燒體積排出。
[0024] 在上述概括方面的一些變化中,一個(gè)或多個(gè)下列特征可選地被包括在任何可行的組合中。初始反應(yīng)可選地被允許發(fā)生在該混合物中以準(zhǔn)備用于均質(zhì)充量壓縮模式中的燃燒的混合物。空氣的添加可選地發(fā)生在進(jìn)氣歧管中。一定量的液態(tài)水可選地被加入到混合物中。一定量的水的添加可選地包括關(guān)閉來自進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣閥,然后將水直接注入到燃燒體積中混合物里。液相水可選地從排氣流中冷凝。冷凝可選地包括通過冷凝器系統(tǒng)流經(jīng)排氣,冷凝器系統(tǒng)能將排氣流中至少一些水蒸氣轉(zhuǎn)換為液相。燃燒室可選地包括至少一個(gè)內(nèi)表面。該至少一個(gè)內(nèi)表面可包括催化材料涂層。催化材料涂層可選地包括催化材料粒子以促進(jìn)在排氣混合物的形成過程中的烴類和一氧化碳中的至少一種的更完全的燃燒。預(yù)定義的閾值溫度可選地在氮氧化物的形成溫度之下。
[0025] 本發(fā)明實(shí)施例可以包括但不限于,包括在此描述的各個(gè)方面、實(shí)施例和具體示例的一個(gè)或多個(gè)特征的方法和系統(tǒng)。在一些例子中的一個(gè)或多個(gè)所描述的方面某些特征可以至少部分地實(shí)現(xiàn)在電子電路和/或由一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行機(jī)器指令的可編程處理器實(shí)現(xiàn)。包括有形具體的機(jī)器可讀介質(zhì)的產(chǎn)品也在本發(fā)明的范圍之內(nèi),該機(jī)器可讀介質(zhì)可操作的引起一個(gè)或多個(gè)這樣的可編程處理器(例如,計(jì)算機(jī)等)導(dǎo)致在此所述的操作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也被描述,其可包括一個(gè)或多個(gè)可編程處理器以及耦合到一個(gè)或多個(gè)可編程處理器的一個(gè)或多個(gè)存儲器。包括一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲媒介的存儲器可包括、編碼、存儲,或諸如此類地操作一個(gè)或多個(gè)程序,該程序引起一個(gè)或多個(gè)可編程處理器執(zhí)行在此所述的操作的一個(gè)或多個(gè)。與本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相一致方法可以至少部分地由位于單個(gè)計(jì)算系統(tǒng)或多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理器實(shí)現(xiàn)。這樣的多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)可以被連接并且可以通過一個(gè)或多個(gè)連接交換數(shù)據(jù)和/或命令或其他指令,等等諸如此類的,包括但不限于經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如,因特網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò),等等)的連接,經(jīng)由在多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)之間的連接,等等。
[0026] 本發(fā)明一或多個(gè)變化中的細(xì)節(jié)在以下所附的圖例和說明中被提出。提供的示例和說明試圖闡述有可能被包括在本發(fā)明實(shí)施例中的特征以及除了由權(quán)利要求定義的不應(yīng)解釋為限制本發(fā)明范圍特征。通過說明、附圖和權(quán)利要求,本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)可被清楚了解。

附圖說明

[0027] 附圖作為說明書的一部分,反映本發(fā)明的某些方面,與說明書一起幫助理解與具體實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的原則。在附圖中:
[0028] 圖1是說明發(fā)動機(jī)方面的圖例,發(fā)動機(jī)顯示與本發(fā)明實(shí)施例一致的特征;
[0029] 圖2是說明另一發(fā)動機(jī)方面的圖例,發(fā)動機(jī)顯示與本發(fā)明實(shí)施例一致的特征;
[0030] 圖3是說明另一發(fā)動機(jī)方面的圖例,發(fā)動機(jī)顯示與本發(fā)明實(shí)施例一致的特征;
[0031] 圖4A和4B顯示說明系統(tǒng)的的第一橫截面視圖和第二橫截面視圖的圖例,系統(tǒng)包括與本發(fā)明實(shí)施例相一致的排氣消音和減少污染的特征。
[0032] 圖5顯示說明方法方面的流程圖,方法具有與本發(fā)明實(shí)施例一致的關(guān)于消音器和/或排放控制的一個(gè)或多個(gè)特征;
[0033] 圖6顯示說明制造一個(gè)具有與本發(fā)明實(shí)施例一致的排氣消音和減少污染的特征的系統(tǒng)的方法方面的圖例;
[0034] 圖7顯示流程圖,該流程圖說明制造一個(gè)具有與本發(fā)明實(shí)施例一致的排氣消音和減少污染的特征的系統(tǒng)的方法;
[0035] 圖8顯示發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的圖例;
[0036] 圖9顯示流程圖,該流程圖說明具有一個(gè)或多個(gè)與本發(fā)明實(shí)施例一致的關(guān)于水注入的特征的方法方面;
[0037] 圖10A和10B顯示發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的側(cè)橫截面視圖和俯視圖;
[0038] 圖11顯示說明控制發(fā)動機(jī)中的燃燒速度的方法方面的流程圖;
[0039] 圖12A和12B顯示說明進(jìn)氣至排氣口流動的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的側(cè)橫截面視圖的圖例;
[0040] 圖13顯示說明在發(fā)動機(jī)中減少進(jìn)氣和排氣流動的回路方法的流程圖;
[0041] 圖14A和14B顯示說明機(jī)軸特征的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的側(cè)橫截面視圖和軸橫截面視圖的圖例;
[0042] 圖15和16顯示說明機(jī)軸特征的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的側(cè)橫截面視圖的圖例
[0043] 圖17至圖28包括關(guān)于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)端口的示意圖和圖表;
[0044] 圖29顯示說明關(guān)于改進(jìn)的發(fā)動機(jī)端口的方法的流程圖;
[0045] 圖30顯示發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的圖例;
[0046] 圖31顯示說明關(guān)于排氣和燃料的預(yù)混合的方法方面的流程圖
[0047] 圖32A-B和圖33A-D顯示說明延遲的點(diǎn)火定時(shí)的優(yōu)點(diǎn)的圖表;
[0048] 圖34顯示一圖表。
[0049] 當(dāng)使用時(shí),類似的參考編號表示相似的結(jié)構(gòu)、特征、或元素。

具體實(shí)施方式

[0050] 單獨(dú)地或任何可行的組合中,在此描述的特征可以提供相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)改進(jìn)或優(yōu)點(diǎn)。
[0051] 圖1示出了一示例發(fā)動機(jī)100的一部分的視圖,該發(fā)動機(jī)100具有被完整或部分包括于本發(fā)明的任何給定實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)特征。如圖1所示,進(jìn)氣口102和排氣口104被定位在(或相鄰于)發(fā)動機(jī)的汽缸頭106上。發(fā)動機(jī)在每一個(gè)汽缸中具有一個(gè)或多個(gè)活塞108。每個(gè)活塞具有活塞頭110。流動通過圖1所示的進(jìn)氣口102受第一提升閥組件控制,第一提升閥組件它包括閥頭112a和閥桿114a和閥座116a的控制,而流動通過排氣口104受第二提升閥組件控制,第二提升閥組件它包括閥頭112b、閥桿114b和閥座116b。
如圖1所示的結(jié)構(gòu)中,可以連同火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)使用的火花塞120或其它點(diǎn)火源被顯示流經(jīng)氣缸頭106?;鸹ㄈ?20或其它點(diǎn)火源的其他位置(例如,沿氣缸頭106的外周,在汽缸壁122中,等等)也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。對于無需火花點(diǎn)火的被操作的發(fā)動機(jī)(例如柴油發(fā)動機(jī)、在HCCI模式中操作的發(fā)動機(jī),等等),火花塞120或其它點(diǎn)火源的發(fā)動機(jī)可以被省略。
[0052] 活塞頭部108、氣缸壁122以及汽缸頭106限定燃燒室或燃燒體積124,在燃燒室或燃燒體積中,空氣和燃料的混合物通過使用一種或多種方法提供,包括但并不限傳送空氣和燃料的預(yù)混合燃燒,空氣和燃料通過一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口102傳送,通過一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口102傳送空氣以及通過直接噴射器(在圖1中未示出)傳送燃料,等等。一個(gè)以上的火花塞120或其它點(diǎn)火源也可以被使用。每個(gè)閥組件可包括閥桿密封件126a、126b,連接至一個(gè)或多個(gè)凸輪以致動(例如,打開)閥的搖臂或閥提升臂130a、130b,以及一線圈或彈簧132a、132b,其分別驅(qū)使閥至一關(guān)閉位置抵住閥座116a、116b上。彈簧固定器132A、132B可以固定彈簧134A、134B。
[0053] 圖2示出了另一示例發(fā)動機(jī)200的一部分的視圖,發(fā)動機(jī)200具有全部或部分被包括在本發(fā)明任何給定實(shí)施例中的特征。在該發(fā)動機(jī)200中。對置活塞配置被使用,在這種配置中兩個(gè)活塞共享一個(gè)共同的汽缸。第一活塞108的第一活塞頭110a、第二活塞108b的第二活塞頭110b,以及氣缸壁122一般至少部分地定義燃燒室或燃燒體積124,空氣通過一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口102被提供進(jìn)入燃燒室或燃燒體積并且已燃燒的氣體通過一個(gè)或多個(gè)排氣口104被從燃燒室或燃燒體積中排出。對置活塞發(fā)動機(jī)的一種方法涉及套筒閥202a、202b的使用,以控制流動通過一個(gè)或多個(gè)空氣進(jìn)氣口102和一個(gè)或多個(gè)排氣口104。套筒閥202a、202b可以至少在與活塞108a、108b的轉(zhuǎn)動軸204平行的方向上移動,以使得在關(guān)閉位置,它們被驅(qū)使與閥座206a、206b接觸,其可以是中心環(huán)或其它連接發(fā)動機(jī)的兩部分的連接件210,發(fā)動機(jī)塊的兩部分的每一個(gè)定義汽缸壁128的一部分。中心環(huán)或其它連接件210還可以為一個(gè)或多個(gè)火花塞120或其它點(diǎn)火源提供直通,其可以與火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)結(jié)合使用。每個(gè)活塞108a、108b可由各自的連接桿214a、214b連接到各自的機(jī)軸212a、
212b。
[0054] 圖3示出了又一示例發(fā)動機(jī)300的一部分的視圖,發(fā)動機(jī)300具有全部或部分被包括在本發(fā)明任何給定實(shí)施例中的特征。發(fā)動機(jī)300包括如共同擁有的和共同未決的國際申請PCT/2011/055457所述的位于汽缸頭106中心的或可選地位于汽缸蓋304中的提升閥組件302。一個(gè)或多個(gè)火花塞或其它點(diǎn)火源120可定位偏離汽缸蓋304的中心軸線。如圖3所示,一個(gè)或多個(gè)火花塞或其它點(diǎn)火源120可以從燃燒室或燃燒體積124的中心偏移(即活塞108的活塞頭110和汽缸頭或汽缸蓋304之間的體積,進(jìn)一步至少有發(fā)動機(jī)主體122的氣缸壁,以及,在一些實(shí)施例中,由至少一個(gè)套筒閥202進(jìn)行定義)。一個(gè)以上的火花塞或其它點(diǎn)火源120可以被包括(例如,在火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中)以提高與燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的震蕩類型或幅度無關(guān)的混合物的燃燒速率(例如,由流動通過進(jìn)氣閥102和/或排氣閥
104的空氣或其它氣體,通過活塞102的運(yùn)動,通過活塞頭118的形狀,等等)。本發(fā)明的實(shí)施例也可以包括一個(gè)以上的設(shè)置在氣缸頭106或汽缸蓋302的提升閥302。例如,兩個(gè)或更多個(gè)提升閥可定位偏離氣缸中心線。一個(gè)或多個(gè)火花塞或其它點(diǎn)火源120可定位偏離圖3所示的氣缸中心線,或定位在氣缸中心線上或附近,如果提升閥或閥302偏離氣缸中心線。
[0055] 在一個(gè)實(shí)施例中,提升閥302可以被用來打開和關(guān)閉排氣口104,而套筒閥202打開和關(guān)閉進(jìn)氣口102??梢允褂眠@樣的結(jié)構(gòu)以減少燃燒室外的熱損失。另外,端口可以被逆轉(zhuǎn),例如,端口104可以是提升閥302控制的進(jìn)氣口以及端口102可以是套筒閥202的操作控制的排氣口。該第二種配置可以提高發(fā)動機(jī)的抗爆震性能,因?yàn)樘淄查y202作為排氣閥使用比提升閥用于控制排氣口更容易維持在較低的溫度。
[0056] 使用套筒調(diào)節(jié)閥202作為進(jìn)氣閥可獲得較高流動速率和對混合運(yùn)動增強(qiáng)的無論是滾筒式或漩渦式風(fēng)格的較低限制,例如共同未決和共同擁有的國際專利申請PCT/US2011/027775中所描述的。如果發(fā)動機(jī)作為柴油機(jī)運(yùn)行,可以較少關(guān)注耐爆震性(例如,空氣-燃料混合物的預(yù)先引爆),從而排氣提升閥不需要主動冷卻。然而,專為高效率設(shè)計(jì)的火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)可以值得確保閥被冷卻。
[0057] 在一個(gè)實(shí)施例中,其中只有一個(gè)提升閥302設(shè)置在氣缸頭106或汽缸蓋302中,提升閥302可選地比傳統(tǒng)提升閥的直徑大,也可以有一個(gè)大直徑的桿114以比更小的常規(guī)閥更有效地從閥頭112進(jìn)行導(dǎo)熱。這種閥可選地也由高導(dǎo)電性材料制成,諸如例如高強(qiáng)度合金??蛇x地或另外地,閥桿114和/或主體可以由冷卻流體填充,例如閥中的鈉。
[0058] 另外,如圖3所示,閥桿114、致動器306、保持器132可以有進(jìn)入孔,以使得油供應(yīng)管310可以被插入到閥桿114中。油供給管310可以將閥頭220附近的油輸送至閥桿114內(nèi)并且油供給管310和閥桿114之間的間隙可允許油流出。油供給管310可選地是剛性的并被固定至塊,例如閥和發(fā)動機(jī)/油管之間的差速運(yùn)動產(chǎn)生在閥油路中的體積變化以使得油在閥打開時(shí)被吸入并在閥關(guān)閉時(shí)被排出。高傳熱系數(shù)和高流速可以通過噴射和閥運(yùn)動配置來維持,所以提升閥302可以保持在低于油會開始分解的溫度。這種方法可用于所有的閥材料選擇。止回閥可選地被包含在油供應(yīng)管或通道310中或其上游以確保這種泵動作產(chǎn)生的冷卻油流通過閥通道。泵動作也可以通過改變閥部被獲得,其中閥桿114通過供給有油的固定腔。油還能被送入加壓腔且無需閥引導(dǎo)的泵動作。
[0059] 發(fā)動機(jī)排氣的集成消音器和排放控制
[0060] 用于內(nèi)燃機(jī)的消音器或者消音系統(tǒng)通常被沿著引自排放歧管的排放管安裝,以收集從內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)或多個(gè)燃燒室的排氣口流出的排氣。消音器或者消音系統(tǒng)通常通過吸收使排氣噪音減少。例如,排氣可以經(jīng)由一系列內(nèi)襯有玻璃纖維毛料或其它非共振材料的通道以及室。一個(gè)或多個(gè)共振室可以被調(diào)節(jié)以引起破壞性干涉,在其中相對的聲波彼此抵消。
[0061] 術(shù)語“催化轉(zhuǎn)化器”通常指用于轉(zhuǎn)化排氣中的不想要的燃燒產(chǎn)品化合物至一或多個(gè)惰性的或至少較少不想要的目標(biāo)化合物。一或多種催化物質(zhì)刺激化學(xué)反應(yīng),其中燃燒產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),取決于安裝的催化劑類型而有所不同。例如,在北美的汽油動力輕型汽車、摩托車,或諸如此類的,通常利用三效催化轉(zhuǎn)化器,三效催化轉(zhuǎn)化器減少氮氧化物(一氧化氮、二氧化氮以及一氧化二氮)并氧化未燃的烴類和一氧化碳以生成氮、二氧化碳和水。催化轉(zhuǎn)化器的其它類型包括但不限于,使用雙向催化劑催化將一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換成二氧化碳和水的轉(zhuǎn)化器。
[0062] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,消音器設(shè)計(jì)可以包括不同長度和直徑的管道陣列或信道陣列,管道或信道陣列的入口的兩端橫跨管狀管道的橫截面流動區(qū)域,管狀管道引導(dǎo)來自例如內(nèi)燃機(jī)的排氣源的排氣。如圖4A和4B所示,排放系統(tǒng)400包括用于傳輸排氣的管狀管道402,例如從內(nèi)燃機(jī)排放的排氣。多個(gè)小直徑通道或管道404可以被排列在管狀管道402上,其內(nèi)部流軸設(shè)為至少大致與管狀管道402的流軸平行。如圖4A和4B所示,通道或管道404可以被設(shè)在密排陣列406中,填充或者至少部分填充管狀管道402的橫截面流動區(qū)域。
密排陣列中的信道或管道404可以具有與每一通道或管道404的管道直徑和長度相匹配的直徑和長度范圍,以使得在密排陣列406中的每一個(gè)通道或管道404,從陣列406的入口端
440至出口端412的管道或信道404的每一單位面積具有至少大致相等的流量。較小直徑通道或管道404因此較短于較大直徑的通道或管道404。陣列406中的信道或管道404的出口端412可以打開進(jìn)入到收集器414中,收集器414具有足夠大的收集容量而可以在所有信道或管道404的出口面的各處呈現(xiàn)相似的壓力。因?yàn)樵谒泄艿阑蛲ǖ?04中的氣體流速相似(因?yàn)楦鱾€(gè)管道的壓降系可比較的),所以排氣的壓力波可以不同的時(shí)間從每個(gè)不同尺寸的通道或管道404到達(dá)收集器414中。
[0063] 在所有通道或管道404的各處依靠給定的排氣容積可以提供相似壓降,排氣同時(shí)進(jìn)入陣列406的進(jìn)口端412的通道或管道中,并稍后排出到收集器414中,可容易地在陣列406的出口端412處的所有通道或管道404的各處等壓流通。如前所述,長度和橫截面流動區(qū)域與陣列406中的每條通道或管道404相配對以產(chǎn)生每條通道或管道404在管道或通道
404的橫截面的每單位面積上流過相似數(shù)量的氣體。
[0064] 在實(shí)施例中,每一尺寸的通道或管道404的數(shù)量可有利地被選擇以使得大致相當(dāng)?shù)呐艢饬客ㄟ^每一尺寸的通道或管道404。換言之,陣列中較小尺寸的管道或通道404的數(shù)量可以大于較大尺寸的管道或通道404的數(shù)量以使得穿過每一尺寸的所有通道或管道404的截面區(qū)域的總數(shù)是大致相等的。這種計(jì)算可以從一組通道或管道尺寸的透視和每一尺寸的通道或管道404的數(shù)量的調(diào)整或者從一組管道或通道404的數(shù)量的預(yù)測和調(diào)整那些管道的橫截區(qū)域,以達(dá)到上述有利條件。
[0065] 如此,大致相當(dāng)?shù)穆曇裟芰靠梢詮拿恳怀叽绲耐ǖ阑蚬艿?04被送入陣列406的出口端414。由于通道或管道404的不同長度,來自于每一尺寸的通道或管道404的大致相當(dāng)?shù)穆暷軙r(shí)間上交錯(cuò)地到達(dá)收集器中,以使得聲波受到至少部分抵消其振幅的負(fù)面干擾。即使流經(jīng)每一不同尺寸的通道或管道404的總數(shù)在通道或管道404的尺寸之中并不非常平衡,至少一部分聲能將會被減弱。
[0066] 在可選的變化中,排氣可以從一收集器414流向另一個(gè),不同長度通道或管道的第二陣列(未顯示在圖4中)與信道或管道404的陣列406相似。第二陣列可以更遠(yuǎn)地傳播排氣脈沖能量,超過相當(dāng)于在第一或第二陣列中的管道或信道404的大致兩倍的長度差異的距離。當(dāng)脈沖長度增加時(shí)振幅下降,因此聲音被減弱。
[0067] 本發(fā)明提供與實(shí)施例相同的整合消音器和催化轉(zhuǎn)化器,在第一陣列406和/或第二陣列的信道或管道404的內(nèi)表面可以被涂上一層催化劑。較小直徑或者橫截面積的通道或管道在與排氣化合物的反應(yīng)中較有效盡管其長度較短(因?yàn)閿U(kuò)散,氣體的隨機(jī)運(yùn)動,在這些較小管道或通道中的粒子可較快地使大多數(shù)分子接觸催化劑的表面。較大直徑或橫截面積的通道或管道會因分子穿過較長距離而需要更多時(shí)間。然而,如上所述,較大的通道或管道更長,因此允許在管道或通道中較長停留時(shí)間以發(fā)生隨機(jī)運(yùn)動以在內(nèi)表面上促使燃燒產(chǎn)品化合物接觸催化材料。
[0068] 圖5顯示一或多個(gè)可以呈現(xiàn)在本發(fā)明實(shí)施例中的方法特征流程圖500。在502中,排氣通過管狀管道從排氣源中被排出,管狀管道包括大致垂直于管狀管道內(nèi)排氣流動方向的管道橫截面區(qū)域。管狀管道不需有對稱橫截面,并且橫截面沿著管道長度也不需有不變的形狀或尺寸。在504中,排氣流經(jīng)復(fù)數(shù)個(gè)信道,信道被設(shè)置在管狀導(dǎo)管之區(qū)段之管道橫截面流動區(qū)域內(nèi)并且至少部分地填充位在管狀導(dǎo)管之一區(qū)段之管道橫截面流動區(qū)域。每一信道具有信道長度和信道橫截面流動區(qū)域。對于每一信道,信道長度和信道橫截面流動區(qū)域配成對,用以為流經(jīng)每一通道的排氣在每一單位面積上產(chǎn)生大致相等的流量。在506中,一或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)表面可選地被涂上一層催化材料,就像本文中其它地方所述的通過使排氣接觸催化涂層,來催化一反應(yīng),該反應(yīng)轉(zhuǎn)化至少一種在排氣中的燃燒副產(chǎn)品為至少一種目標(biāo)化合物。排氣在510中的位于復(fù)數(shù)個(gè)通道的下游的收集室中被收集。收集室收具有足夠大的收集容積以使得收集容積內(nèi)的排氣在穿過每一通道的出口面時(shí)呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?/div>
[0069] 通道或管道404由金屬或陶瓷或其它合適的材料制成,用以容納和引導(dǎo)由引擎產(chǎn)生的排氣。通道或管道404的內(nèi)表面可以具有一粗糙的涂層,例如通過應(yīng)用粗化劑產(chǎn)生的涂層。粗糙表面可增加有用的通道或管道404的內(nèi)表面面積,且可以被涂上或者至少部分被涂上一層催化劑材料,以促進(jìn)在排氣中的一或多種燃燒物或污染物種的反應(yīng)以產(chǎn)生更多的相要的最終產(chǎn)品或目標(biāo)化合物。例如,此類通道或管道可以由冷軋瓦楞金屬片形成,槽紋隨著所形成的腔長度變化??蛇x地,不同直徑的通道或管道可以被鉆成金屬或陶瓷刀片形以填充或至少部分填充管狀管道部分的管狀橫截面區(qū)域。鉆孔的信道或管道可以被安排在一樣式中,以使得較小直徑的通道或管道在金屬或陶瓷襯套的第一側(cè),且增加直徑之通道或管道可逐漸排列于該金屬或陶瓷襯套的相對側(cè)。金屬或陶瓷襯套的下游端可被切割成一角度以形成通道或管道的長度,使得較小直徑或橫截面區(qū)域的信道或管道具有較短長度,且較大直徑或者較大直徑或橫截面區(qū)域的信道或管道具有較長的長度,如此可使穿過管402的流動速率保持大體上均一。每一信道或管道組在每一單元面積具有大致相等的流量。
[0070] 在可選實(shí)施例中,如圖6所示的例子,具有第一側(cè)602、第二側(cè)604和第三側(cè)606的三角金屬片600可以具有一系列形成于上的槽紋610。槽紋可以在最接近第一側(cè)602處被相對較遠(yuǎn)地間隔且平行于第一側(cè)602排列,以及可以在遠(yuǎn)離第一側(cè)602的地方逐漸接近彼此。當(dāng)三角形金屬片600沿著大致垂直于第一側(cè)602的滾動軸被碾軋時(shí),各種形式的通道可以由符合描述本發(fā)明各種實(shí)施例的特征所決定。換言之,由卷起的槽紋形成的信道可以是最小信道的最短長度,最小通道具有為形成具有較大橫截面積信道而逐漸增長的信道長度。應(yīng)指出的是,圖6顯示直角三角形金屬片,其它三角形也屬于本發(fā)明的范圍。金屬片可選地包括一或多種除了(或代替)金屬片的材料。
[0071] 不同于現(xiàn)有的催化轉(zhuǎn)化器,需要催化材料的催化核或者基片(例如陶瓷涂層)的支持,本發(fā)明實(shí)施例可以在提供如前所述的聲音減弱的相同元素的流表面流體表面提供對催化材料的支持。在一些實(shí)施例中,涂層可以是用于在高層表面?zhèn)鞑ゲ牧系拇呋牧系妮d體,涂層被用于至少部分的陣列406中的信道或管道的內(nèi)表面。三氧化二鋁,二氧化,二氧化,二氧化硅,和硅鋁混合物或其胎類似者,可以被用作涂層載體材料以泥漿方式應(yīng)用。催化材料可以在將涂層用于通道或管道內(nèi)表面之前被懸浮于泥漿涂層中的泥漿或其它被催化材料吸收或吸附的物質(zhì)中。涂層材料可選地被選擇去形成粗糙的、不規(guī)則的表面,其可以較通道或管道的光材料的光滑表面增加表面積以最大化可用的與排氣反應(yīng)的催化活性表面。催化材料本身可選地包括貴金屬。例如,鈀可用作氧化催化劑,銠可用作還原催化劑,和可同時(shí)用于還原和氧化中或其一的鉑金。鈰,,錳及鎳亦可被使用。
[0072] 圖7顯示本發(fā)明實(shí)施例中的一或多個(gè)方法特征的流程圖700。在702中,信道陣列包括復(fù)數(shù)個(gè)具有可形成的橫截面流動區(qū)域的分布的信道。信道組中的每一信道可具有信道長度和信道截面流動區(qū)域,兩者配成對用以為流經(jīng)每一通道的排氣在每一單位橫截面積產(chǎn)生大致相等的流量。為了引導(dǎo)來自于排氣源的排氣,信道陣列可在704中被設(shè)置以使得信道陣列至少部分填充位于管狀管道之區(qū)段的管道橫截面流動區(qū)域。在706中,將一或多個(gè)通道的至少部分的內(nèi)部表面區(qū)域被包括催化材料的涂料覆蓋。位于信道陣列下游的收集室接收通道排出的排氣,通道可以在710中被提供。收集室具有足夠大的收集容積以使得收集容積內(nèi)的排氣在穿過每一通道的出口面時(shí)呈現(xiàn)大致相當(dāng)?shù)膲毫Α?/div>
[0073] B.具有非對稱的壓縮和膨脹比的水注入式內(nèi)燃機(jī)
[0074] 另一實(shí)施例包括向內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)加水。一種與一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相一致的燃燒調(diào)制添加劑可以是來自內(nèi)燃機(jī)之前循環(huán)的水或排氣。內(nèi)燃機(jī)中的燃燒峰溫度可以足夠高以在高效率模式下操作時(shí),形成大量的氮氧化物,特別是在貧乏(例如,過量空氣)的燃燒條件。因此,后處理一般被需要以減少氮氧化物返回較少環(huán)境問題的化合物。這樣的處理過程中可引入發(fā)動機(jī)的額外的成本和復(fù)雜性。
[0075] 使用包括液態(tài)水的燃燒控制添加劑的水注入內(nèi)燃機(jī)可選地包括非對稱的壓縮和膨脹比。在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)中的能源浪費(fèi)的最大部分是典型的熱排氣。恢復(fù)即使是相對小部分的該被浪費(fèi)的能量可以顯著提高發(fā)動機(jī)的效率。注入水可以用來減少在發(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)的空氣-燃料混合物溫度,這可能會導(dǎo)致包括但不限于避免或減少自點(diǎn)火的發(fā)生率、放緩燃燒速度等好處。
[0076] 在一個(gè)實(shí)施例中,注水的方法可以與非對稱的壓縮/膨脹發(fā)動機(jī)結(jié)合使用。水可以在循環(huán)中足夠早地被注入燃燒室124,它至少近似均勻地分散在空氣-燃料混合物中。水量可以大到足以吸收足夠的熱量以限制燃燒后的在燃燒室內(nèi)的峰值溫度為氮氧化物的形成閾值(通常為大約2000K)小于。在一個(gè)實(shí)施例中,水注入率可近似為基于體積的燃料流率的兩倍。燃燒后,額外的水可選地被注入到燃燒室124。額外的水量可足以減少在燃燒室124中的排氣氣體和水蒸氣的溫度,因?yàn)樗鼈冊诨钊呐蛎洓_程期間膨脹至略高于水蒸氣的冷凝溫度??梢允褂靡环N非對稱的膨脹比以允許已形成的蒸氣和燃燒產(chǎn)物都充分膨脹,其中還包括烴或氫為基礎(chǔ)的燃料產(chǎn)生的水蒸氣。
[0077] 排氣流可選地流經(jīng)冷凝器以恢復(fù)至少一些的水蒸氣以減少運(yùn)行系統(tǒng)所需要的用戶維護(hù)量。例如,在正常操作期間它有可能凝結(jié)足量的水以匹配使用率。在以高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),水可能發(fā)生的凈虧損。然而,機(jī)載容器可由外部補(bǔ)充水或來自排氣的水蒸氣的凝結(jié)填裝。
[0078] 在圖8所示的實(shí)施例中,空氣和燃料可被抽入發(fā)動機(jī)氣缸的燃燒室124,或者單獨(dú)地,或者作為預(yù)先混合的空氣-燃料混合物。進(jìn)氣閥控制的進(jìn)氣口102可被關(guān)閉,并且足夠的水能夠通過水噴射口802噴射至燃燒室124,以限制在燃燒(如所指出的,在一些例子中,水的噴射率約為燃料的噴射率的兩倍,然而其他比率也在本發(fā)明的主題范圍之內(nèi))期間在燃燒室124內(nèi)產(chǎn)生的峰值熱量?;旌衔锟杀粔嚎s,在一個(gè)例子中,對于汽油和火花點(diǎn)火,比率約為10∶1,對于均勻充量壓縮燃燒(HCCI),比率更高。在火焰前緣經(jīng)過后,可以適度的高的壓強(qiáng)(例如約2000-3000磅/平方英寸,psi)注入更多的水(在一個(gè)示例中,燃料的大約3倍或4倍的水被注入)以增加燃燒室的壓強(qiáng)至約90大氣壓或者約1400psi。在燒著的燃燒混合物和初始加入的水和額外加入的水?dāng)U張以后,例如,比例約為35∶1至1.2大氣壓,燃燒的混合物被從燃燒室124排入冷凝器804。冷凝器804可將冷凝水傳送到貯水室806,從該貯水室806水可以被傳送到水噴射口802以噴射到燃燒至124。
[0079] 通過在點(diǎn)燃之前加入水,并在點(diǎn)燃之后加入額外的水,排氣可被實(shí)質(zhì)上冷卻,例如冷卻至120℃,并且燃燒體積124內(nèi)的峰值溫度可被保持在NOx閾值以下,例如約2000K。該方法可最小化冷凝器804從排氣中的水蒸氣恢復(fù)液態(tài)水所需的熱量。其也可以減少排氣溫度低于合適的催化活動的溫度,從而排氣有利地沒有污染物,該污染物通常由催化轉(zhuǎn)化器所去除??蛇x地,冷凝水可吸收排氣中的至少一些剩余的污染物,并將它們再循環(huán)回燃燒室,以再利用水而不是使它們隨著排氣離開冷凝器而排放至大氣中。
[0080] 在一些實(shí)施例中,在燃燒室124中經(jīng)歷的低峰值溫度可允許燃燒室124的內(nèi)表面被涂覆催化顆粒以幫助碳?xì)浠衔?、一氧化碳等的完全燃燒。這種涂層可與陶瓷涂層結(jié)合使用,從而進(jìn)一步限定發(fā)動機(jī)組所損失的熱量。
[0081] 排氣溫度測量可選地可與同本發(fā)明主題的實(shí)施例相符合的系統(tǒng)相結(jié)合,以確保所噴射的水不會太多以將排氣冷卻至低于冷凝溫度。通過避免產(chǎn)生的水蒸氣在冷凝器804之前被冷凝,例如在燃燒室124中,在排氣口104中,或者排氣歧管810中等,油和水在發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中被混合的風(fēng)險(xiǎn)被減少或最小化。在發(fā)動機(jī)從冷的條件被啟動時(shí),噴射的水可被延遲產(chǎn)生,直至排氣溫度被確定為足夠高以避免不希望的水蒸氣的冷凝。在另一個(gè)例子中,油的工作溫度可保持在高于與水的冷凝點(diǎn)對應(yīng)的溫度閾值。對發(fā)動機(jī)的有效的監(jiān)視可允許如果有的話最小化冷凝,從而允許在該結(jié)構(gòu)中使用傳統(tǒng)的材料。
[0082] 與本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相符地,水可或者被加入進(jìn)氣歧管(未示出)或者直接噴射至燃燒室124。為了限制所需的泵做功,有利地可在壓縮沖程的盡可能晚的時(shí)間使用高壓直接噴射至燃燒室124,以在燃燒開始之前獲得空氣、燃料和水的均勻混合物。在燃料和空氣在被輸送到燃燒室之前在進(jìn)氣歧管中被混合的一個(gè)例子中,單獨(dú)的噴射系統(tǒng)可以直接向燃燒室124提供水。對于還使用將燃料直接噴射入燃燒室124的發(fā)動機(jī)(例如,HCCI發(fā)動機(jī)或者柴油發(fā)動機(jī)),可包括燃料噴射系統(tǒng)和水噴射系統(tǒng)兩者。
[0083] 使用噴射水來限制發(fā)動機(jī)的燃燒體積內(nèi)產(chǎn)生的峰值溫度對于渦輪增壓的發(fā)動機(jī)也是有利的,其中排氣溫度能達(dá)到足夠高使得必須加入額外的燃料以提供由燃料的蒸發(fā)引起的足夠的冷卻。在傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機(jī),該額外的燃料簡單地被傳至排氣管或者至催化轉(zhuǎn)化器,從而如果催化物無法處理未燃燒的燃料時(shí),最多被有效地浪費(fèi)或者以污染物被排出。使用本主題的實(shí)施例,水的噴射可被用于渦輪增壓發(fā)動機(jī)以保持溫度低以限制或者減少NOx的形成。額外的水還可以降低排氣溫度以限制或者減少浪費(fèi)燃料的需要以保持渦輪冷卻。
[0084] 圖9示出了顯示方法的特征過程流程圖900,該圖中至少一些特征與本主題的實(shí)施例相符合。在902包括一定量的燃料、一定量的水的燃燒混合物被在內(nèi)燃機(jī)的燃燒體積中被產(chǎn)生。在904燃燒混合物被壓縮,例如通過以壓縮率減少燃燒體積。對燃燒體積的減少包括以第一方向移動活塞。在906,燃燒混合物被點(diǎn)燃并燃燒以生成排氣混合物,其包括水蒸氣和其他燃燒產(chǎn)物。燃燒在燃燒體積內(nèi)產(chǎn)生峰值燃燒溫度,由于一定量的水,該溫度低于預(yù)設(shè)的最高峰值溫度。該燃燒包括以擴(kuò)張率擴(kuò)張燃燒體積,且擴(kuò)張包括活塞朝著與第一方向相反的方向移動。在910,排氣混合物被從燃燒體積排出。
[0085] 控制HCCI發(fā)動機(jī)的燃燒持續(xù)時(shí)間
[0086] 使用傳統(tǒng)的方法,高等價(jià)比率的均勻充量壓縮燃燒(HCCI)燃燒能帶來在內(nèi)燃機(jī)的燃燒體積內(nèi)產(chǎn)生足夠引起對發(fā)動機(jī)損壞的壓強(qiáng)。該等價(jià)比率被定義為空氣-燃料混合物的實(shí)際的空氣/燃料與產(chǎn)生按化學(xué)計(jì)量燃燒所需的空氣/燃料比率的比率的倒數(shù),通常被指代為蘭姆達(dá)(λ)。較高的蘭姆達(dá)值表示稀薄(lean)的空氣/燃料比率,其中在燃燒室中提供相對于燃料的按化學(xué)計(jì)量燃燒所需的過多的空氣。相反地,高的等價(jià)比率表示更富足的空氣/燃料比率,其中在燃燒室中提供相對于燃料的按化學(xué)計(jì)量燃燒所需的過多的燃料。
[0087] 接近或者超過1的等價(jià)比率的引起燃燒室內(nèi)的非常易爆的燃燒條件,并且可引起非常短的燃燒(例如,“燒著”)期間,其具有爆炸事件所產(chǎn)生的相關(guān)的損壞的材料壓力和的其他模式,更類似于爆炸,而不是燃燒。為了避免該條件,有利地在燃燒室內(nèi)的空氣-燃料混合物可經(jīng)歷在至少半-有序方式進(jìn)行的相對受控的燃燒事件,其中火焰前緣在空氣-燃料混合物的體積內(nèi)移動。
[0088] 符合一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的,高等價(jià)比率HCCI可被用于在燃燒體積中的燃燒混合物的延長的燃燒事件持續(xù)時(shí)間。在一些實(shí)施例中,迫使燒著的燃燒混合物沿著迂回路徑完成燃燒的燃燒室設(shè)計(jì)可以延長燃燒時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。該特征的一個(gè)例子可包括創(chuàng)建或者有意地存在允許內(nèi)表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域接觸處于足夠作為燃燒引發(fā)劑或者點(diǎn)火位置的升高的溫度(例如,熱點(diǎn))的燃燒體積?;鹧媲熬墝?dǎo)引腔設(shè)置在燃燒室內(nèi)以延伸遠(yuǎn)離點(diǎn)火位置,火焰前緣在該點(diǎn)火位置開始?;鹧媲熬壙梢蚨黄仁寡刂鹧媲熬墝?dǎo)引腔通過一段距離。隨著火焰前緣沿著火焰前緣導(dǎo)引腔前進(jìn),壓強(qiáng)增加,但是由于在升高的壓強(qiáng)處停留時(shí)間相對較小,可以防止一次點(diǎn)燃所有的整個(gè)空氣-燃料燃燒(charge)體積。
[0089] 在圖10A和圖10B所示的示例中,任何燃燒開始位置1002,例如,預(yù)熱塞(glow plug),或者可替代的燃燒室124的內(nèi)表面能的未冷卻的或者其他加熱區(qū)域,可被設(shè)置在處于或者靠近位置燃燒室124的汽缸壁122,或者朝向汽缸頭106的圓周,以為在燃燒室124中的燃料-空氣混合物的燃燒提供開始位置。預(yù)熱塞可靠近圍繞在活塞頭110的圓周形成的肩部1004。肩部1004可限制火焰前緣圍繞燃燒室1004的邊緣以一個(gè)方向穿行,或者穿過在相反的活塞發(fā)動機(jī)中的兩個(gè)活塞之間的冷卻段(quench zone)(圖10中未示出)??商峁┌枷?,使得火焰可沿著圍繞活塞頭110的路徑。作為示例,如果由于使用了符合本主題的實(shí)施例的活塞頭,火焰前緣可被要求在到達(dá)火焰前緣引導(dǎo)腔的末端之前,以70米/秒的壓力波速穿行大約100mm,需要大約1/700秒完成。在每分鐘轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)(rpm)的發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度,該穿行期間(travel period)相當(dāng)于約31曲柄度。這種燃燒特征可接近于正常的火花點(diǎn)火燃燒持續(xù)時(shí)間。
[0090] 在其他可能的變化中,火焰前緣引導(dǎo)腔的形狀和位置可被調(diào)整以獲得希望的燃燒事件持續(xù)時(shí)間,并最小化與燃燒混合物接觸的表面面積,從而減少從燃燒室124的熱量損失。發(fā)動機(jī)可運(yùn)行在峰值溫度狀態(tài),其足夠遠(yuǎn)離空氣-燃料的自動點(diǎn)火閾值,從而混合物將被燃燒而不是爆震??梢允褂枚嘤谝粋€(gè)點(diǎn)火點(diǎn)的開始,以調(diào)整關(guān)于發(fā)動機(jī)的爆震極限的燃燒事件持續(xù)時(shí)間。
[0091] 在符合本主題的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的其他方式中,可以在活塞頭上不均勻地涂覆隔熱涂層,從而活塞頭的表面溫度從燃燒室的一邊到另一邊不同,從而引起與活塞頭接觸的空氣-燃料混合物在活塞頭表面的靠近較熱的區(qū)域首先點(diǎn)燃,從而使得火焰前緣從最初點(diǎn)火位置以相對可控的方式傳播。燃燒室在一些實(shí)施例中也可以或者可選地被分隔為多個(gè)室,使得在多個(gè)室中的第一個(gè)室中的燃料-空氣混合物被首先引起點(diǎn)燃,然后溢出至鄰近的室的燃燒產(chǎn)物可在延遲的時(shí)間后點(diǎn)燃在那些室中的燃料-空氣混合物。可變的壓縮率也可被用于產(chǎn)生燃燒室內(nèi)的處于或者接近HCCI所需要的條件。預(yù)熱塞或者類似物可被用于調(diào)整不同的氣缸之間的定時(shí)。
[0092] 圖11顯示了過程流程圖1100,其顯示了至少其中的一些與本主題的實(shí)施例一致的方法的特征。在1102,燃燒混合物在均勻充量壓縮燃燒發(fā)動機(jī)的燃燒室中被點(diǎn)燃。該點(diǎn)燃包括引起在接近火焰前緣控制特征的希望的物理位置處被點(diǎn)火。在1104,點(diǎn)燃的燃燒混合物的火焰前緣被沿著在燃燒室中的優(yōu)選的線路被引導(dǎo)。該引導(dǎo)包括引導(dǎo)具有火焰前緣控制的火焰前緣引起希望的燃燒持續(xù)時(shí)間。在1006,在燃燒室內(nèi)的活塞頭的表面溫度可選地被使用在活塞頭的表面上的可變的隔熱層改變,以引起點(diǎn)火發(fā)生在希望的物理位置。
[0093] 套筒閥的活塞罩
[0094] 在另一個(gè)實(shí)施例中,內(nèi)燃機(jī)可包括套筒閥的活塞罩。使用套筒閥的傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)可遭受排氣套筒閥和進(jìn)氣套筒閥的重疊,由于在氣缸的整個(gè)圓周,兩個(gè)閥相靠近,其可使得至燃燒氣缸/室的進(jìn)氣充量被幾乎直接向外短路至排氣閥。傳統(tǒng)的提升閥也可包括可具有短路的燃燒室的區(qū)域。然而,該區(qū)域可是閥的圓周的一小部分。來自進(jìn)氣口并從閥的近區(qū)域排出的流動可傾向于將從上一循環(huán)留下的排氣排出燃燒室。
[0095] 在足夠高的速度運(yùn)行閥以引起他們?yōu)檫M(jìn)入發(fā)動機(jī)和從發(fā)動機(jī)出來的流動提供最小的限制是具有挑戰(zhàn)的。在兩個(gè)閥在同時(shí)打開的重疊的時(shí)間段的設(shè)計(jì)可以允許閥打開更多的時(shí)間,以匹配移動的活塞的流動需要。然而,控制氣體移動和定時(shí),使得沒有未燃燒的燃料允許直接排出排氣,從而使得最少的排氣被允許推進(jìn)進(jìn)氣口102,或者被保持在燃燒室124是困難的。
[0096] 本主題可提供一種發(fā)動機(jī),其中活塞位置和閥位置的互動使得在燃燒室的相反側(cè)進(jìn)氣和排氣開口。由于在燃燒室的相反側(cè)具有開口,否則會被在排氣口產(chǎn)生的壓力波拉入的進(jìn)氣流反而可掃除它前面的殘留燃燒產(chǎn)物。通過定時(shí)排氣閥的關(guān)閉,進(jìn)氣充量可被允許在排氣閥關(guān)閉之前,凈化大部分的殘留混合物,例如大約75%,并安全地將所有的進(jìn)氣充量保持在室內(nèi),從而限制未燃燒的燃料逸出進(jìn)入排氣管。
[0097] 合適地完成,該方式可有助于通過凈化次數(shù)的效率(燃燒室體積/排出的體積),增加發(fā)動機(jī)中的質(zhì)量流動(mass flow)。在一個(gè)例子中,以10∶1壓縮率被良好調(diào)整的發(fā)動機(jī)與未被凈化例子相比,可產(chǎn)生大約10%的對質(zhì)量流動的改善。
[0098] 在一個(gè)實(shí)施例中,活塞頭可被引起當(dāng)閥首次打開時(shí)阻擋端口??蛇x地,在排氣閥的例子中,活塞頭可被引起在其剛剛關(guān)閉時(shí)阻擋該端口。對于適用于進(jìn)氣閥的例子,活塞可在閥開始打開時(shí)到達(dá)上止點(diǎn)。如果活塞頭已經(jīng)位于閥座上方,其阻擋流動。然而,如果具有在活塞頭的四分之一圓周處具有倒角切,當(dāng)閥打開時(shí),其未被倒角被切除的區(qū)域所覆蓋。以這種方式,進(jìn)入氣缸的流動可被導(dǎo)引通過該倒角區(qū)域進(jìn)入。在排氣的例子中,如果除了類似的倒角區(qū)域,活塞頭阻擋閥打開,排氣流可隨后被限制在倒角區(qū)域離開室。排布活塞使得進(jìn)氣活塞倒角在室的與排氣倒角相反一側(cè),可迫使穿過室的流動在進(jìn)氣進(jìn)入時(shí)將排氣排出。
[0099] 圖12A和圖12B分別示出了在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)1200中通過進(jìn)氣口流動102到相鄰的排氣口104的短路1202的問題,以及采用符合一個(gè)或多個(gè)與本主題的實(shí)施例的特征的、從進(jìn)氣口102到出氣口104的流動1206被迫使經(jīng)過發(fā)動機(jī)1204的燃燒室124的體積的解決方案。如圖12B所示,活塞108a、108b各自在活塞的相反側(cè)的倒角特征1210a、1210b。因此,在圖12B所示的示例中,在進(jìn)氣活塞108a上的第一倒角1210a可允許通過進(jìn)氣口102的相鄰側(cè)的流動,而在進(jìn)氣活塞108a的相反側(cè)活塞頭110a阻塞進(jìn)氣口102的相反的一側(cè)。同時(shí),當(dāng)排氣口104仍打開,在排氣活塞108b上、且在燃燒室的與第一倒角1210a相反側(cè)的第二倒角1210b可允許通過排氣口104的流動排出,而在排氣活塞108b的相反側(cè)活塞頭
110b阻塞與進(jìn)氣口102的未被阻塞一側(cè)最靠近的、排氣口104的相反的一側(cè)。肩部1212a、
1212b或者其他罩體特征與每個(gè)倒角1210a、1210b相反,可臨時(shí)地覆蓋每個(gè)各自的端口的部分以防止短路。
[0100] 在額外的變化例中,倒角可使環(huán)更靠近燃燒氣體。例如,如果倒角與火花塞旋轉(zhuǎn)90度放置,則它們將會看到熱氣持續(xù),并具有更低的熱負(fù)載。在一些示例中,由于從孔口到進(jìn)氣口和排氣口的流動系數(shù),由每個(gè)倒角1210a、1210b所占的燃燒的周長的最優(yōu)方案可以可選地大約30°弧度。倒角特征的其他的弧長也均屬于本主題的范圍之內(nèi)。在燃燒室124內(nèi)的壓強(qiáng)的區(qū)別可允許使用更少的閥的開口對燃燒室進(jìn)行有效的凈化。其是有利的,因?yàn)楦嗟牡谝缓偷诙淄查y202a、202b同時(shí)打開可引起更多的短路。
[0101] 圖13示出了過程流程圖1300,其顯示了至少其中的一些與本主題的實(shí)施例一致的方法的特征。在1302,進(jìn)氣口被打開以向內(nèi)燃機(jī)的燃燒室輸送包括空氣和/或燃料的流體,以用于在當(dāng)前發(fā)動機(jī)周期內(nèi)的燃燒。該打開包括使第一套筒閥從第一閉合位置移開。在1304,排氣口被關(guān)閉,通過該排氣口來自之前的發(fā)動機(jī)周期的排氣混合物被從燃燒室中排出。該關(guān)閉包括使第二套筒閥朝向第二關(guān)閉位置移動,但是該關(guān)閉在打開開始之前未完成。
在1306,在燃燒室的第一側(cè)的至少部分進(jìn)氣口被臨時(shí)地由在在第一套筒閥的第一圓周之內(nèi)移動的第一活塞的第一罩體特征所覆蓋。同時(shí),在燃燒室的與第一側(cè)相反側(cè)的至少部分排氣口也被臨時(shí)地由在在第二套筒閥的第二圓周之內(nèi)移動的第二活塞的第二罩體特征所覆蓋。該罩體要求流體橫穿燃燒室的至少部分的直徑,以在關(guān)閉完成之前離開燃燒室。第一罩體特征和第二罩體特征可以是包含在各自的活塞頭上的、在與每個(gè)閥的未被覆蓋的部分相對應(yīng)的活塞的一側(cè)上倒角的肩部。
[0102] 低元件計(jì)數(shù)軸承
[0103] 在另一個(gè)實(shí)施例中,提供了低元件計(jì)數(shù)軸承。傳統(tǒng)的曲柄軸典型地由在連桿的一側(cè)的軸承所支撐。制成非常小的發(fā)動機(jī),其僅具有一側(cè)的支撐(例如,可從俄亥俄州瓦利城獲取的MTD產(chǎn)品,“weed-whacker”)。然而,更大的發(fā)動機(jī)通常引起以懸臂方式被支撐的過多的彎曲和軸承負(fù)載。
[0104] 如圖14A和圖14B所示的增加懸臂曲柄軸1400的硬度可通過增加曲柄軸1402本身的直徑來實(shí)現(xiàn)。此外,將軸承類型從球軸承改變到滾子軸承,其可以是逐漸變細(xì)的或者直的,可以實(shí)現(xiàn)高容量的主要支撐軸承。然而,由于滾子的能力,一般是遠(yuǎn)高于球軸承,滾子可不需要完整完成滾子,以在大直徑軸承中保持摩擦和降低成本。正如圖14B中所示的端視圖,滾子1404可以由間隙1406所替代,在間隙1406中不包括滾子。
[0105] 籠輥也可用于連桿軸承以減少摩擦。連桿可以通過在曲軸的連桿軸頸的外邊緣上的止動環(huán)和硬化的墊圈限定。在兩個(gè)軸承之間的曲軸連接驅(qū)動可從懸臂曲柄被移除,以將發(fā)動機(jī)的寬度保持在最小。
[0106] 在一些實(shí)施例中,大直徑曲柄可以空心以減輕重量。連桿軸頸也可以空心來節(jié)省原重量和增加的需要平衡的重量。平面軸承可用于兩個(gè)主要的和/或連桿。如果相對于油膜厚度角度小,則影響可以相對較低。平面軸承相對于滾子更容許錯(cuò)位。
[0107] 圖15和圖16顯示了示出了額外的特征的額外的圖1500和1600。符合本實(shí)施例的方式可以包括從遠(yuǎn)離曲柄的動力輸出一側(cè)開始擴(kuò)展曲軸的一個(gè)相對較小的延長幅度。因?yàn)檫h(yuǎn)離動力輸出的一側(cè)只需要支撐由連桿加載的彎曲負(fù)載,它可以較不堅(jiān)固而不產(chǎn)生重大的特征損失。如果這一側(cè)的大小和形狀被優(yōu)化,它能使連桿軸承在曲柄的該端被旋進(jìn)螺紋,允許或者在最激進(jìn)的案子中使用一體的平面軸承桿,或者在更輕松的情況下使用滾子軸承。隨著其螺紋旋進(jìn)地方,滾子可以引起桿和曲柄的間隙很大。一個(gè)止動環(huán)或其他護(hù)圈可以用來確保滾子在操作時(shí)保持在位置。這個(gè)止動環(huán)或其他護(hù)圈可以卡在桿內(nèi)或曲柄的外面。
[0108] 在上述特征的一些實(shí)施例中,鑄鋼或者鍛鋼曲柄可被使用以便軸承表面可以硬化足以支持滾子。鑄鐵可以足夠用于平面軸承。
[0109] 改進(jìn)的端口
[0110] 在其他的實(shí)施例中,為環(huán)形套筒閥發(fā)動機(jī)提供一個(gè)進(jìn)氣和排氣口幾何。360度環(huán)形進(jìn)氣和排氣口可以為套管閥發(fā)動機(jī)提供高效率氣流,例如那些分別與在圖2和圖3所示的發(fā)動機(jī)200和300具有一個(gè)或多個(gè)共同的特征。對進(jìn)口配置的設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)在于,空氣或者空氣和燃料的混合物從圓管供應(yīng),并且必須從單圓管入口沿著圓柱壁分配到360度圓柱環(huán)狀入口。高流動效率可以通過流動定向垂直于環(huán)形入口(徑向流,相對于圓柱環(huán))和避免切向流動來實(shí)現(xiàn)。對于從環(huán)形口的流出,徑向流也是希望的。至少在某些情況下,流出必須以將其傳送到單一的管道出口的方式收集。對于某些套筒閥發(fā)動機(jī),可以由相對于端口的套筒的位置限定流動區(qū)域。套筒可以有一個(gè)傾斜的座,該角度能夠影響流動效率。流動效率可以定義為流量系數(shù),其是流過參考面積的實(shí)際流量與理想流量的比值,在本文件后面將被描述。
[0111] 圖17顯示了一個(gè)示例的具有環(huán)形口的發(fā)動機(jī)1700的剖視圖。該示例的發(fā)動機(jī)1700是一個(gè)相對活塞套閥發(fā)動機(jī)。右側(cè)顯示了一個(gè)示例的進(jìn)氣口,左側(cè)顯示了一個(gè)示例的排氣口。兩個(gè)端口包括符合當(dāng)前的主題的特征和概念。在這個(gè)例子中,端口被露出當(dāng)一種機(jī)構(gòu)將套筒閥移動離開在中心部分的發(fā)動機(jī)的閥座。圖18顯示了一個(gè)與進(jìn)、排氣處理無關(guān)的部件被移除的發(fā)動機(jī)的剖視圖1800。圖19A和圖19B顯示了進(jìn)、排氣口的完整的3d視圖
1900。
[0112] 圖20顯示了進(jìn)氣口的描述性的剖視圖2000。當(dāng)端口向燃燒室打開,活塞運(yùn)動在進(jìn)氣沖程增加氣缸容積,并建立一個(gè)吸力,吸引空氣進(jìn)入段口,隨后進(jìn)入發(fā)動機(jī)??諝?或與燃?xì)饣旌系目諝?通過單一的入口管被提供,該入口管將流動導(dǎo)引至收集器的內(nèi)部的垂直壁。將流動導(dǎo)引在壁上有助于繞流收集器體積分散流量,且流動被有意不指向噴嘴(從進(jìn)氣管直接流入噴嘴的流動產(chǎn)生切向速度)。收集器體積和橫截面積足夠大,以在整個(gè)收集器將流速保持低速。收集器通過收集器的頂部環(huán)狀地進(jìn)入噴嘴。來自收集器的流動傾向于從收集器流入噴嘴并主要以徑向方向進(jìn)入汽缸。噴嘴部分的頂壁和底壁可以有利地盡可能接近于平行,并且其方向盡可能接近垂直于氣缸軸線。
[0113] 圖21顯示了排氣口的一個(gè)描述性的剖視圖2100。在排氣沖程活塞運(yùn)動減少氣缸容積,迫使流動從氣缸出來進(jìn)入排氣口。在這個(gè)例子中,流動傾向于離開氣缸并以徑向的方式進(jìn)入噴嘴部分。離開噴嘴部分的流動進(jìn)入收集器。從噴嘴部分進(jìn)入收集器的流動往往在收集體積內(nèi)圍繞著正切于收集器的環(huán)的軸循環(huán)。如果/當(dāng)循環(huán)流體返回到噴嘴收集器口時(shí),這個(gè)循環(huán)可以在某些情況下傾向于阻礙流出。在該端口設(shè)計(jì),可以添加一個(gè)階梯特征以通過在到達(dá)噴嘴收集器接口之前重新引導(dǎo)循環(huán)流體,防止阻礙流出噴嘴的循環(huán)。圖22顯示了排氣口的中心平面的速度向量的圖2200,以及展示保持不從噴嘴出口循環(huán)的效果的階梯的收集器的區(qū)域一個(gè)詳細(xì)視圖。收集器將流動從收集器部分提供至單一出口管道。流出口的噴嘴可以有利地具有盡可能接近平行平面頂壁和底壁。這些壁應(yīng)盡可能接近垂直于氣缸軸,但是如果需要其他特征的發(fā)動機(jī)幾何,有些傾斜的壁是可以接受的。
[0114] 對于環(huán)形固定的套筒閥發(fā)動機(jī),可以包含一個(gè)圓柱形套筒和閥座于一個(gè)傾斜的座位上的一個(gè)傾斜的尖端,如圖23的剖視圖所示,座的角度被標(biāo)記。圖23顯示了套筒的放大圖2300,在其封閉的(閥座)位置。圖24顯示了排氣套筒的在中間提升的一個(gè)視圖2400,以及圖25顯示了的排氣套在該操作條件下的最大提升的視圖2500。流量系數(shù),一個(gè)常見的流體流量的性能的度量,通常定義為一個(gè)固定的條件下、通過端口的實(shí)際流量與通過等效參考面積的理想流動之間的比率。對于圖26,這顯示了閥座角度對流量系數(shù)的影響的圖2600,使用套筒在最大提升的端口的圓柱截面面積作為參考面積,以及水在端口的28英寸的壓力梯度,來定義流量系數(shù)。圖26展示了閥座角度對流量系數(shù)的影響,其中較低的閥座角度帶來更高的流量系數(shù)。而小的閥座角度有利于流動,機(jī)械和閥座力的考慮可能會受益于更大的閥座角度。
[0115] 作為對于這些類型的端口的預(yù)期性能的一個(gè)例子,圖27顯示對于進(jìn)氣口流量系數(shù)相比于套筒閥升程的圖表2700,顯示正向和反向(回流離開端口)的流量系數(shù)。圖28顯示了排氣口升程的反向(流出)流量系數(shù)的圖2800。
[0116] 符合該實(shí)施例的發(fā)動機(jī)可包括幾個(gè)有益的特征。流量通過噴嘴和氣缸接口可以有利地有一個(gè)主要的徑向方向。該流動的一個(gè)最小的切向分量也可以是可期望的。此處使用的徑向流通常意味著指向發(fā)動機(jī)汽缸中心軸的流動,以及此處使用的切向流通常意味著切向于汽缸的軸的流動。
[0117] 噴嘴部分的上下表面可以有利地大約正負(fù)10度于平行,該些表面可以有利地是在設(shè)計(jì)的限制范圍之內(nèi)盡可能接近垂直于氣缸的軸。
[0118] 進(jìn)氣口的單一的入口管道可以被安排,從而流動不傾向于直接流到噴嘴部分,因?yàn)橹苯恿鞯絿娮觳糠挚梢詢A向于產(chǎn)生一些切向流。因此它有利于直接流到收集器,可能在壁上,從而流動可以在進(jìn)入噴嘴部分之前在收集器中切向地分布。
[0119] 對于流出,在收集器中的再循環(huán)阱可以有助于避免在收集器中的再循環(huán)流妨礙流出噴嘴部分的流動。從噴嘴部分的徑向流出可以傾向于在收集器中最循環(huán)。一個(gè)循環(huán)阱可以幫助減少到達(dá)噴嘴收集器接口的這種再循環(huán)。
[0120] 當(dāng)閥座角度減少時(shí),流可以改善,因此一個(gè)小的閥座角度可以是有利的。然而閥座角度也可以幫助將閥定位在中心以及閥座,因此在用于流動的閥座角度和用于定位中心的閥座角度之間需要折中。
[0121] 圖29顯示了一個(gè)過程的流程圖2900,其說明了方法的特征,至少其中一些特征符合當(dāng)前主題的實(shí)施例。在2902,來自燃燒室的排氣的出口徑向流被排氣口的空間所接收,該排氣口關(guān)于發(fā)動機(jī)的燃燒室徑向地布置。在2904,通過空間的外部表面朝向燃燒室反射回來的排氣全被空間的下表面的流動重定向特征接收。在2906,被反射的排氣的流動方向被流動重定向特征所重定向,從而使持續(xù)流動流出燃燒室而不會被反射的排氣所干擾。
[0122] 預(yù)先混合燃料和排氣
[0123] 可以用來代替或附加于正如上面所討論的將水注入至燃燒室124的另一個(gè)實(shí)施例中,從先前的發(fā)動機(jī)循環(huán)回收的排氣可以用來預(yù)處理燃料發(fā)動機(jī),以確保適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火定時(shí)。這種方法對HCCI發(fā)動機(jī)可能是有用的,并且可能在其他發(fā)動機(jī)配置一樣適用。排氣重用可以通過定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥,以將排氣限制在燃燒室中,從而燃料可以直接到噴射至被限制的排氣。然而,這種方法會導(dǎo)致通過發(fā)動機(jī)的適當(dāng)氣流的中斷。
[0124] 與一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例相符合地,由包括空氣和燃料的混合物燃燒產(chǎn)生的熱排氣能夠從離開燃燒室124的一個(gè)排氣端口104轉(zhuǎn)移到添加燃料的排氣再循環(huán)歧管3002,例如通過燃料端口3004并與排氣混合。通過這種方式,由燃料排氣化學(xué)過程引起的化學(xué)反應(yīng)可以在反應(yīng)物被引入燃燒室124之前開始。預(yù)混結(jié)合排氣和燃料的混合物可以引入一個(gè)進(jìn)氣歧管3006,它可以與空氣混合,然后被拖進(jìn)燃燒室124。
[0125] 此外,排氣和燃料的預(yù)混合的燃燒所經(jīng)歷的更多的溫度,燃料混合排氣的量,在傳送至燃燒室124之前燃料-排氣混合物所經(jīng)歷的停留時(shí)間,傳送至多汽缸發(fā)動機(jī)的每一個(gè)燃燒室124的排氣和燃料的預(yù)混合燃燒的量,可以根據(jù)當(dāng)前設(shè)定、發(fā)動機(jī)溫度、負(fù)載,等等的需要被控制和/或改變。能夠調(diào)制的各氣缸的燃料排氣混合物的流量的一個(gè)或多個(gè)控制閥,可允許汽缸調(diào)整整個(gè)發(fā)動機(jī)和理想操作區(qū)域的可控制的HCCI操作。
[0126] 在進(jìn)一步的實(shí)施例中,水可以被添加進(jìn)如上所述的燃料排氣混合物中。水和燃料可在排氣中反應(yīng)以形成甲基自由基(CHx)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2),以及基于其注入燃燒室而有助于燃料燃燒的反應(yīng)組分。這些組分可以提高混合物的可燃性,和分子組分如一氧化碳和氫氣的存在可以提高排氣吸收能量用以在發(fā)動機(jī)的動力沖程中恢復(fù)的能力。水可以任選地通過冷卻從排氣流中恢復(fù)(例如,使用圖8中所示的冷凝系統(tǒng)810產(chǎn)生來自燃燒室124排出的排氣中的至少一些的水蒸氣)??蛇x地或此外,水注入到排氣回流歧管3002和/或進(jìn)氣歧管3006可以從一輔助容器(例如,安裝在車輛上的除燃料箱之外的容器)提供。
[0127] 圖31示出了說明方法特征的流程圖3100,其中至少一些特征與本發(fā)明的實(shí)施例相一致。在3102中,來自內(nèi)燃機(jī)的在先循環(huán)的排氣和在排氣歧管中的燃料的混合物被創(chuàng)建,以及在3104中,該混合物被引導(dǎo)到內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣歧管,并進(jìn)入燃燒體積以用于新循環(huán)中的燃燒。在3106中,空氣被加入到混合物中(無論是在進(jìn)氣歧管中或是在燃燒室中)。在3110中,將混合物壓縮,至少部分在的通過第一方向的活塞運(yùn)動由壓縮比減少燃燒體積。在
3112中,點(diǎn)燃并燃燒燃燒混合物以形成排氣混合物,該混合物中包括水蒸氣和其他燃燒產(chǎn)物。燃燒產(chǎn)生燃燒體積內(nèi)的峰值燃燒溫度,該峰值燃燒溫度由于一定量的排氣小于一個(gè)預(yù)定義的最大峰值溫度。燃燒包括由膨脹比通過在與第一方向相反的第二方向上的活塞運(yùn)動膨脹燃燒體積。在3114中,排氣混合物從燃燒體積排出。
[0128] 延遲的點(diǎn)火定時(shí)
[0129] 在第一實(shí)施例中,內(nèi)燃機(jī)可由延遲或滯后的點(diǎn)火定時(shí)操作??勺儔嚎s比與可變閥定時(shí)結(jié)合的使用可不同的功率電平優(yōu)化發(fā)動機(jī)效率。然而,由于所涉及的壓迫力,可變壓縮結(jié)構(gòu)可能復(fù)雜且昂貴。例如,上止點(diǎn)附近的高峰值汽缸壓力可產(chǎn)生低扭矩,因?yàn)楫?dāng)這些壓迫力高時(shí)機(jī)軸桿臂是非常小的。當(dāng)氣壓高時(shí)環(huán)摩擦高以及環(huán)在邊界潤滑狀態(tài)而不是流體力學(xué)狀態(tài)中運(yùn)動。
[0130] 燃料空氣混合物可以通過高溫度和壓力條件下無自動點(diǎn)火循環(huán)。然而,當(dāng)這樣的混合物在燃燒室中燃燒時(shí),最后的氣體燃燒,其已經(jīng)在一段較長的時(shí)間經(jīng)受更高壓力和溫度,可傾向于以更密切類似于爆炸而不是有序燃料消耗的方式由在先的火焰先緣一次全部點(diǎn)燃。以這種方式的小量燃料的炸藥爆炸可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。
[0131] 發(fā)動機(jī)的壓縮比通常受限于所使用的燃料的辛烷值和燃燒室的設(shè)計(jì)。一般來說,發(fā)動機(jī)以一個(gè)盡可能達(dá)到的高壓縮比設(shè)計(jì),而不會造成燃料處于活塞位置的上死點(diǎn)幾度內(nèi)的峰值室壓。典型的用于汽油發(fā)動機(jī)的壓縮比可以相似于約為10∶1。
[0132] 例如,如果發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)為壓縮比是15∶1,并且火花延遲直到活塞經(jīng)過接近10∶1的壓縮比的燃燒室體積附近的上死點(diǎn)中心,然后自動點(diǎn)火屬性可以是相似于更典型的低壓縮比。然而,在點(diǎn)火延遲的例子中的活塞已經(jīng)過物理的上死點(diǎn)位置,在機(jī)軸上的杠桿作用可以顯著改善。此外,因?yàn)榛钊呀?jīng)以一速度向下移動至孔,該速度可以使環(huán)達(dá)到足夠高的流體動力學(xué)速度,當(dāng)出現(xiàn)高的燃燒峰值壓力時(shí),環(huán)摩擦可以相對于傳統(tǒng)的的方法被減少。此外,由于活塞已經(jīng)在膨脹方向上移動作為點(diǎn)火事件發(fā)生,末端氣體的爆震阻力也可以被改善,因?yàn)槿紵殷w積在燃燒過程中增加以使得燃燒完成前壓力和溫度被降低。這一優(yōu)勢可以由化學(xué)變化抵消,該化學(xué)變化可能會發(fā)生在最初的過度壓縮相位的燃料,從而提高了自動點(diǎn)火的可能性。一種或多種方法,如在共同擁有的和共同未決的國際專利申請PCT/US2011/027775中描述的,其公開內(nèi)容通過引用方式被完整合并于此,該一種或多種方法可選地發(fā)生在所需燃燒事件之前被應(yīng)用以盡量減少完整時(shí)間和熱傳遞至燃料。
[0133] 使用與本文中所描述的方法相一致的一個(gè)或多個(gè)特征,一種具有有效的10∶1的壓縮比和在正常閥定時(shí)的10∶1的膨脹比的發(fā)動機(jī)可以具有限制質(zhì)量流量的閥定時(shí),以10∶1的壓縮比和15∶1的膨脹比進(jìn)行操作。點(diǎn)火定時(shí)可以被提前至更加正常的條件以實(shí)現(xiàn)這樣的效果。
[0134] 當(dāng)前方面的實(shí)施例也可以納入相移可變壓縮比設(shè)計(jì)中。在對置活塞發(fā)動機(jī)中,其中兩個(gè)活塞共用一個(gè)汽缸并且兩個(gè)活塞是不同相的,例如在第一、在先活塞先于第二、在后活塞達(dá)到上死點(diǎn)中心,當(dāng)在后活塞接近上死點(diǎn)時(shí)點(diǎn)燃空氣燃料混合物也是可取的。由于在先活塞已經(jīng)遠(yuǎn)離上死點(diǎn)中心位置當(dāng)在后活塞到達(dá)上死點(diǎn)位置時(shí),點(diǎn)火發(fā)生在達(dá)到燃燒室的最小體積以及燃燒室體積開始增加時(shí)。當(dāng)在后活塞接近上死點(diǎn)中心時(shí),空氣-燃料混合物可在點(diǎn)火之前經(jīng)歷過度壓縮和部分膨脹。
[0135] 分別顯示在圖32A和圖32B中的作為膨脹比(y軸)和進(jìn)氣閥關(guān)閉(IVC)的特征的制動效率和制動平均有效壓力(BMEP)的圖表3200和3202顯示相對于在相同BMEP的更常規(guī)的對稱10∶1比例,14∶1的壓縮比(CR)至膨脹比(ER)中對稱地操作發(fā)動機(jī)的大約1%效率效益。
[0136] 當(dāng)壓力及被改進(jìn)的扭矩由于當(dāng)點(diǎn)火時(shí)的更有利的桿角度而很高時(shí),來自與在此所述的特征相一致的方法的效益用于固定幾何形狀的發(fā)動機(jī)可以被來自由于環(huán)速度的減少的摩擦實(shí)現(xiàn)。在圖33A、圖33B、圖33C和圖33D圖中的表3200、3302、3304和3306分別示出近似最佳的BMEP斜面效率、在開始點(diǎn)火(SOI)處的近似最佳的BMEP斜面、近似最佳BMEP斜面相移以及在進(jìn)氣閥關(guān)閉處的近似最佳BMEP斜面之間的關(guān)系,示出了包括在此所述的一個(gè)或多個(gè)特征的實(shí)施例的可能的優(yōu)點(diǎn)。在對置活塞發(fā)動機(jī)中,當(dāng)在后活塞位于上死點(diǎn)中心并且在先活塞已到達(dá)上死點(diǎn)中心并開始縮回時(shí),額外的好處可以包括定時(shí)點(diǎn)火的能力。這種配置可以提供額外的在限制機(jī)軸之間動力傳遞上的扭矩反轉(zhuǎn)中以及在限制功率量至在后機(jī)軸從而減少由于功率傳遞至在先活塞造成的損失中的好處。具有可變閥定時(shí)的發(fā)動機(jī)額外的好處可包括:以減少的膨脹比獲得更高的質(zhì)量流量的能力,以使得更高的功率輸出(高功率密度)成為可能。相同的扭矩反轉(zhuǎn)和損失問題也應(yīng)用于對置活塞發(fā)動機(jī)。完全可變發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可以與固定發(fā)動機(jī)相似。熱損失也可以使用如本發(fā)明所述的方法得到改善。峰值溫度和壓力下的停留時(shí)間被減少?;钊愿斓乃俾试诜逯祲毫蜏囟葪l件下向下移動,從而在同一機(jī)軸速度時(shí),在峰值壓力的時(shí)間將減少。
[0137] 柴油發(fā)動機(jī)的燃料預(yù)熱
[0138] 在另一個(gè)實(shí)施例中,加熱的柴油注入器提供。在燃燒過程中,柴油燃料液滴蒸發(fā)足夠緩慢,從稍后在燃燒過程中的液相中蒸發(fā)的燃料分子可以在某些情況下在燃燒之前經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)化學(xué)變化。這種變化可能會導(dǎo)致來自這些化學(xué)改變的殘留化合物的粗劣或不完全氧化的顆粒物的形成。此外,燃料燃燒的速度可以至少部分是由燃料蒸發(fā)速度限制。更快的蒸發(fā)可導(dǎo)致更快的燃燒,這可能會導(dǎo)致更好的效率。
[0139] 在本發(fā)明的實(shí)施例中,燃料可以在被注入燃燒室之前被加熱。通過在傳遞熱能至燃燒室之前將足夠熱能加入液態(tài)燃料,當(dāng)液態(tài)燃料進(jìn)入燃燒室時(shí),其已經(jīng)在燃燒室的壓力下的燃料沸點(diǎn)以上。由于注入壓力可以遠(yuǎn)高于燃燒室壓力并且在燃料處于這一壓力時(shí)可以增加熱量,所以燃料在傳遞到燃燒室之前可保持在液相中。
[0140] 為了限制液態(tài)燃料在升高溫度下可能經(jīng)歷的潛在的不必需的化學(xué)反應(yīng)的過程,在注入器組件的加熱區(qū)最小化燃料的停留時(shí)間是可取的。盡管接觸時(shí)間很短,為了確保有足夠的能量傳遞給燃油溫度提升到所需的點(diǎn),非常高的瞬時(shí)功率輸送到燃料可以是必需的。
[0141] 在一些實(shí)施例中,加熱的能量可以通過電阻加熱輸送至注入器系統(tǒng)中的液態(tài)燃料中。例如,注入器噴嘴區(qū)域可以包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)置的電絕緣區(qū)域以使得至少有兩個(gè)或更多個(gè)電極可與彼此電隔離。這些電極可以靠近注入器噴嘴以使得燃料從加熱區(qū)的行程中失去極少熱量并傳遞到燃燒室。電極可以連接到電源,在某些情況下電源僅在注入之前或剛好在注入時(shí)開啟以使得僅被注入的燃料被加熱到高溫。加熱電極在注入結(jié)束時(shí)可再次被關(guān)閉。用于空昂電能轉(zhuǎn)化為熱能的電阻可以是傳統(tǒng)的金屬或半導(dǎo)體電阻器,燃料本身,或一些其它的用于將電能轉(zhuǎn)化為熱能設(shè)備或方法。
[0142] 在一個(gè)實(shí)施例中,的柴油發(fā)動機(jī)的柴油注入器的閥針可以作為第一電極以及柴油注入器的噴射孔或噴嘴可以作為第二電極。當(dāng)閥針被抬離其閥座時(shí),電能可以被供給。然后電氣路徑可以從閥針通過燃料至噴嘴。這樣的方法可以有利地僅對燃料加熱以及在關(guān)閉后的系統(tǒng)中或在換擋時(shí)從高功率轉(zhuǎn)換到零功率時(shí)保持熱燃料是沒有問題的。
[0143] 注入的燃料加熱的技術(shù)并不限于柴油應(yīng)用,也適用于在端口注入的應(yīng)用中低沸點(diǎn)燃料或以正常燃料的冷啟動。該方法也有利于火花點(diǎn)火式直接注入。這種技術(shù)也可以用于注入除柴油以外的燃料至壓縮點(diǎn)火循環(huán)。
[0144] 二沖程非對稱發(fā)動機(jī)
[0145] 在另一個(gè)實(shí)施例中,二沖程非對稱發(fā)動機(jī)被提供。常規(guī)的二沖程發(fā)動機(jī)通常只有一個(gè)活塞在氣缸內(nèi),并具有端口以允許排氣排出和新鮮的空氣進(jìn)入,由于兩個(gè)端口都由一個(gè)單活塞控制,排氣口首先打開并最后關(guān)閉,以允許將過量的新鮮空氣流出排氣口。此外,他們不限于對稱的壓縮和膨脹沖程。
[0146] 對置活塞發(fā)動機(jī)可允許由一個(gè)活塞控制進(jìn)氣口并由其他活塞控制排氣口。通常情況下,這些發(fā)動機(jī)具有略微移相的機(jī)軸,以使得排氣口首先打開以允許高壓熱氣體吹進(jìn)排氣管和傳遞動力至排氣柱。然后,進(jìn)氣口可以打開以減少在汽缸內(nèi)的壓力并能夠用新鮮充量清除排氣。從歷史上看,這樣的柴油發(fā)動機(jī)已經(jīng)過度清洗而不會浪費(fèi)未燃燒的燃料進(jìn)入排氣。
[0147] 當(dāng)排氣口關(guān)閉且和進(jìn)氣口仍然打開的時(shí)候是開放的,這樣的非對稱端口配置可以結(jié)合連接第二活塞至機(jī)軸的拉桿致動方法以達(dá)到能夠增壓氣缸的目的。
[0148] 在一些例子中,這種新的設(shè)計(jì)可以包括一個(gè)對置活塞二沖程,其中機(jī)軸相位和進(jìn)氣口及排氣口的高度被調(diào)整以使得有效壓縮比小于有效膨脹沖程。
[0149] 在一個(gè)實(shí)施例中,排氣口的高度可以是在活塞上的大約0.1英寸高的下死點(diǎn)處,進(jìn)氣口可以是在進(jìn)氣活塞上約0.35英寸下死點(diǎn)處,每個(gè)活塞的沖程可近似2英寸,機(jī)軸的相位可以是這樣的排氣領(lǐng)先進(jìn)氣機(jī)軸約50度。在這個(gè)近似的例子中,排氣口先打開,然后進(jìn)氣,然后排氣關(guān)閉,然后在一些新鮮充量被推回到進(jìn)氣之后,進(jìn)氣口關(guān)閉。從那一點(diǎn)至最小體積,變化大約為10∶1。然而,從最小到排氣口打開時(shí)的體積變化為約15∶1。這種配置可以允許更多功在它們被吹出到排氣之前被從熱氣體中提取。
[0150] 如果膨脹被限制到一個(gè)比例,該比例維持氣缸壓力是排氣岐管中的壓力的約2倍以上,氣體可以被加速到其最大速度,其傳遞動力至排氣柱。這種動力可以導(dǎo)致排氣在進(jìn)氣口打開時(shí)保持遠(yuǎn)離汽缸流動。進(jìn)氣充量可以由減少的壓力被拉進(jìn),如果排氣系統(tǒng)被正確調(diào)整。否則,進(jìn)氣可以由任意數(shù)量的不同類型的空氣泵壓迫。(例如,作為在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)、增壓器、渦輪增壓器、葉片泵等等中的機(jī)軸)。
[0151] 此發(fā)動機(jī)可以是有不具有明確閥傳動的優(yōu)勢,同時(shí)仍然能夠有不對稱壓縮和膨脹沖程的高效率。這樣的發(fā)動機(jī)可以為柴油燃燒配置,或?yàn)槿缟纤龌鸹c(diǎn)火燃燒配置。要產(chǎn)生最高的效率,可以使用汽油直噴從而只有空氣用于清洗。排氣口被關(guān)閉后,燃料可以被注入。以這種方式,燃料被推回進(jìn)氣歧管可能不成問題,因?yàn)檫@種燃料只是帶回在下一個(gè)循環(huán)。燃料流率可以基于凈空氣流入,因此,下一次注入的尺寸可考慮已經(jīng)在空氣中的燃料。如果出現(xiàn)燃料存在未燃燒排氣的一些問題,注入可被定時(shí)在較晚以便在空氣中將不會有燃料被推回到進(jìn)氣歧管。
[0152] 正如圖34中所示的圖表3400,壓縮比沖量在進(jìn)氣口關(guān)閉時(shí)可見,所看到的膨脹比與所述排氣口打開的比率一樣。
[0153] 此相對的活塞的方法還允許為一個(gè)低的熱損失設(shè)計(jì)使用相同的優(yōu)化孔/沖程比。最佳比例可以不同于具有相同一般的大小的四沖程發(fā)動機(jī),因?yàn)檫@么多的活塞移動發(fā)生在端口打開時(shí)。摩擦特性也可以不同因?yàn)闆]有閥傳動摩擦。然而,明確的泵可以是必需的?;钊瑯咏?jīng)過端口移動一個(gè)額外的距離。比上述增壓版本低的功率密度可以被使用。這樣的配置可以提供不對稱的優(yōu)點(diǎn)。此外,孔/行程比可以被優(yōu)化以獲得更低的熱損失的。
[0154] 如本文所描述的配置還可以允許一個(gè)簡化的設(shè)計(jì)用于在活塞在內(nèi)轉(zhuǎn)到時(shí)使氣缸轉(zhuǎn)動。這將允許設(shè)計(jì)相對速度以使得活塞環(huán)即使在活塞換向時(shí)可被保持騎在油膜上。
[0155] 使用套筒閥作為進(jìn)氣口,例如,如圖20所示可縮短清洗路徑長度和允許較短的端口,從而更多汽缸填充并為每個(gè)沖程提供動力。套筒閥可以在每一循環(huán)中被致動并以上面所述的進(jìn)氣口相同的方式使用:在打開排氣口以及排氣壓力放氣后并保持打開足夠長的時(shí)間以使得一些進(jìn)氣空氣被推回到進(jìn)氣道。套筒浮閥可以關(guān)閉以提供所需的壓縮比,其通常小于膨脹比。
[0156] 這樣的配置的額外的好處是,現(xiàn)在兩個(gè)排氣口可用于增加放氣時(shí)可用的面積。此外使用這種配置就不再需要有機(jī)軸移相。進(jìn)氣流的定時(shí)不需要依賴于機(jī)軸位置,從而使可變閥定時(shí)也可以伴隨可變壓縮。
[0157] 上述說明中的實(shí)施例并不代表所有與在此描述的發(fā)明一致的實(shí)施例。相反,它們僅是一些與所述發(fā)明相關(guān)方面相一致的一些例子。雖然一些變化在此被詳細(xì)描述,但是其它的修改或增補(bǔ)亦為可能。特別地,進(jìn)一步的特征和/或變化可以在除了所述的例子中被提供。例如,上述實(shí)施例可以應(yīng)用于公開的特征和/或組合的不同組合和子組合及上述公開的一些進(jìn)一步特征的子組合。另外,在此描述的和在附圖中描述的邏輯流程并不必須要求所顯示的特定順序或連續(xù)次序以得到所需結(jié)果。所附申請專利范圍可以包括其它具體示例或?qū)嵤├?/div>
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