在通向氣缸的預燃室中形成燃料混合物及其點火的方法

2023-08-04 10:04:26

專利名稱：在通向氣缸的預燃室中形成燃料混合物及其點火的方法
技術領域：
本發明涉及預燃室，尤其涉及在端部開口通入最好為可替換的直到式內燃機的一個氣缸或數個氣缸中的預燃室。這些預燃室已由同一申請者在早先的一些申請中作了說明，其中，公開了為限定這些預燃室的工作，必須噴入以一預定濃度充滿室內所含至少部分空氣團所需的燃料。
由於將燃燒過的氣體噴入未噴入燃料的氣缸內所含的剩餘空氣中，故此混合物的燃燃發生在相當低的溫度下並存在足夠的空氣餘量(λ＝4-10)，從而保證在排氣中將沒有如CO和NOx之類汙染成份。
即使業已表明此原理是可行的，但用樣機進行的試驗已顯示有缺點，難以達到實際上為零的汙染物及未燃燒產物的百分比。
這是由於，在預燃室中「最初」燃燒階段後，在活塞相應行程而同步膨脹的作用下，在預燃室內所含大部分未燃燒剩餘物冷卻至低於它們的點火極限溫度，沒有任何力量可將它們噴入氣缸，因此，最終沒有機會進行表徵提供以上承諾的上述此類發動機特點的「二次燃燒」。
換句話說，用普通的充滿預燃室的方法，所達到的效果，就排氣成份而言，比常規發動機要好，但實際上不能使不希望有的成份的總百分比達到零。
本發明的發明者已提出一種充滿預燃室和使混合物點火的方法，避免了上述缺點，並保證排氣中汙染物的百分比實際上等於零。
事實上，本發明者已提出一種方法，其中，通過噴射液體或氣體燃料，使混合物沿預燃室軸線形成可變濃度值的分層，使一部分空氣容積包含在其中，基本不與燃料混合，並通過在活塞回程期間膨脹將預燃室中所含的燃燒過的氣體在其溫度降到低於它們的點火極限前推向氣缸。
詳細地說，本發明的主題包括一種方法，它保證按權利要求1前序部分有預定量燃料的混合，其特徵由所述權利要求的特徵部分給予說明。
現在，參考附圖對所述方法作更詳細的說明，其中

圖1表示預燃室的縱剖面圖，配有按本發明方法所獲得的混合物濃度沿其軸線的曲線圖(R＝濃度和Rst＝化學當量濃度)；
圖2表示開口和圖1所示預燃室的前視圖，其上裝有點火混合，這可使作為本發明主題的方法獲得最優化的結果。
參考圖1，燃料沿預燃室1軸線h-h，由噴射器2噴入，在圖示的情況，預燃室為截頭錐，並有一圓形通入氣缸6的開口端1a，噴射器2由在噴射期間相對於預燃室中壓力的一壓力餘量ΔP的作用下作動，並裝在預燃室1的另一封閉端1c。
根據噴射器的形式，所述燃料形成一射流5，它也為錐形或受抑錐形。
為實現本發明的方法，必須這樣地設計噴射器2的噴射器尺寸，並計算噴射壓力餘量ΔP，使在內燃機壓縮半周期的終點階段進行噴射，所形成的液滴(在液體燃料情況下)的大小，以及它們的動能和在預燃室1的橫截面的分布都應保證射流5在其到達預燃室1開口的中心C的瞬間即刻前就完全蒸發，並保證燃料蒸氣與預燃室中所含空氣進行混合，從而使濃度等級從噴射點A向預燃室開口的所述中心C方向增加。
在燃料為氣體(甲烷或類似氣體)的情況，必須這樣地進行上述計算和確定尺寸，以使噴射的氣體5當其到達中心C時，用類似的方法與位於噴射器2下遊的預燃室部分內所含空氣進行混合。
因此，應當可用大致類似圖1所示平行於預燃室1的曲線7的一條線代表上述濃度等級。
此方法確保在裝有噴射器2的預燃室封閉端1c後面的預燃室中所含的空氣預定容積V1具有很低的平均濃度值，其中有一部分基本不與燃料混合。
如果注意確保該容積值等於或最好大於預燃室總容積除以內燃機在某一周期達到的壓縮比一預定值，那末，結果是該空氣容積也在其中被由預燃室中燃燒產生的輻射首先加熱，在發動機自身的膨脹階段，膨脹到一特定範圍，從而「衝洗」在此階段存在的也被混合的燃燒過的氣體，在它們被冷卻前，部分地增加氧/CO+未燃燒產物之比，並將它們推入氣缸，在氣缸中，由於氣缸本身存在的溫度，燃燒過的氣體本身可進行一預定持續時間的二次燃燒(例如，3-4毫秒)，與此同時，溫度不應降到低於點火極限。
上述的「衝洗」同樣也清除了可能殘留在預燃室1壁面的任何未燃燒的HC；為更好地達到此目的，最好，這些壁面通過例如鍍鉻，拋光，或其它產生類似效果的工藝做成「光亮的」是適當的。
為了在所述的容積V1中得到即使燃料為氣態時也相當低的平均濃度值，本發明者建議將噴射器可插入預燃室1一預定深度L，藉此，限制噴射器上遊的在噴射器外壁與接近於預燃室封閉端1c的預燃室1內表面3之間的所述容積V1。
另一個可能的改進是在必要時，例如用電阻10給所述容積V1內所含的空氣提供給定數量的熱量，以此方法促進與空氣混合的稀混合物燃燒，從而膨脹。
在上述試驗過程中，還注意到，如果在開口1a的中心C採用單個點火點，則會產生缺點，使某一百分比的尚未燃燒的混合物最初被排向氣缸6，而那裡的溫度還略低於點火所需的溫度。
這是由於最初的火焰球前鋒作用的結果，當它自所述中心C徑向膨脹時，火焰球前鋒給預燃燒室中尚未燃燒的混合物施加壓力，從而使它到達預燃室1的壁沒有足夠的速度，確保及時地分布於整個預燃室截面，以免排出未燃燒的產物。
因此，被活塞運動膨脹推動的一定百分比的未燃燒混合物在未燃盡的情況下到達氣缸6，該未燃混合物不得不在氣缸內發生的二次燃燒過程中藉助於已燃燒的熱氣體進入預燃室1來燃燒。
這就免不了即使有限，實際上也增加排氣中的未燃燒CO和HC的可能性。
為避免這缺點，該方法的發明者要求採用多個點火發生點8，它們配置在垂直於預燃室1軸線的平面內(見圖2)，並與預燃室開口端1a相對應，最好通過上述中心C。
存在多個發火點會明顯地縮焰燃鋒形成的時間(n+毫秒)，使焰鋒足夠規則並大到足以覆蓋預燃室1的整個截面，因此，以超壓「封閉該截面」，並防止未燃燒混合物排出。
所建議的一種解決方案是(圖2)來用一個帶十字形排列的四個觸點的電極，藉此，用一個曲導電材料製成的臂9將所述電極裝於預燃室1的開口部，臂9則與直流放電發電機的一個極相連。每個觸點面向一個與另一極相連接的突出的端子8，圖中僅表示其中之一(所需的絕緣零件未示出)。通過用線圈或電子裝置的點火方法產生放電，從而產生四個同步發火點。顯然，可具有多於四對的觸點和端子，但本申請人已發現，滿意的解決方案包括採用如上所述的僅四個發火點，它們沿與開口1a同心且直徑d等於開口直徑D之半的圓周β配置。
為確保方便地實施本發明的方法，本發明人還建議預燃室1的尺寸要這樣設計，使其容積當活塞到達相應最大壓縮的死點時，處在由氣缸6中的發動機活塞留下的死區容積的1/5和1/2之間。
如此所得的總入(二總空氣量/化學當量空氣)處在20和8之間，發動機不需潤滑也不需冷卻的熱力學循環的平均溫度大約為300℃。
本發明人還預先提出在循環期間所噴入的燃料量將使其在預燃室1中燃燒產生的熱可足以使在一個氣缸或多個氣缸6及預燃室1中所含的整個空氣量的溫度上升，足以保證在接給定的速度曲線點火後活塞回程和膨脹期間，經溫度將保持高於燃料的點火溫度一預定時間(例如，≥4～10毫秒)。
所述及和所示的實例並不想限制也不想約束根據所述權利要求書所規定的構思該方法的其它實施。此外，所指的指標值可根據需要的改變，例如，根據所用燃料的型式(汽油，酒精，柴油，煤氣，等)而改變。如此完成的上述實現仍然落在由本專利申請給予的保護範圍內。
最好，在按本發明的方法中，在活塞運行期間，壓縮結束的時間與噴射結束的瞬間相一致，但與此狀態稍有偏差並不代表重大的缺點。
同樣，為了按眾所周知的準則從熱力學循環達到更好的效率，可以使點火瞬間稍微領先於活塞反向運動的瞬間。
認為提供適於完成上述方法的預燃室1的尺寸和相應容積V1的數值實例是有用的。
假設容積要與燃料混合的空氣的預燃室的「激活」部分的容積為5立方釐米，燃燒期間的峰值絕對壓力等於25巴，而氣缸6中的溫度保持在最小燃燒溫度(大約400℃)以上在該峰值後7毫秒。如果已假設在預燃室中所含燃燒過的氣體進行二次燃燒持續4毫秒，則問題是決定在達到不再發生燃燒的這一極限的瞬間前4毫秒時氣缸中的壓力。
假設，給定在上述情況下活塞膨脹的速度曲線，此壓力為10巴，這意味著，為在適當時間確保所希望的衝洗，所述容積V1必需要在絕熱膨脹1.9倍後佔據整個預燃室(即「激活」部分加V1)。於是，發現下列公式是正確的預燃室的總容積＝「激活」容積+V1＝1.9V1
或V1+5cm3＝1.9V1，或V1＝5/0.9cm3＝5.6cm3如果在上述循環中壓縮比9為8.5∶1，而且如果，如我們所知，預燃室的總容積(「激活」部分+V1)等於(5+5.6)＝10.6cm3，則可確立一係數ε，它等於預燃室總容積和p之比，在此情況下，ε＝10.6/8.6＝1.25。
正如我們所知，容積V1比上述ε值大4.5倍。
在上述最大值的粗略計算中。未考慮到由於最大壓縮的死點與由燃燒形成的上述壓力峰值之間壓力增加而造成的容積V1受到的有限壓縮。當進行最後的更精確計算時，必須考慮到這個事實，因此要加大容積V1。
還要完成上述對預燃室1的內部衝洗，本發明人建議尋求一種實施方法，其中在預燃室1開口1a附近正的點火後形成的火焰前峰基本上在整個燃燒持續時間保持在此位置，從而燃燒過的氣體在燃燒期間立即自預燃室排出，與殘留在氣缸中的空氣混合，而在如此佔據的空間中的任何地點都不能達到供氮氧化反應的激活溫度(大約1500K)。
為此，必須使預燃室1的大小和形狀要設計成在預燃室中發生初級燃燒的時間間隔內，所含不與燃燒混合的空氣的所述容積V1在活塞向外運動的作用下膨脹，直到基本上佔據預燃室整個容積。
這意味著燃燒前鋒相對預燃室以某一速度退卻，此速度與燃燒前進的速度大小相等方向相反，結果，所述的前鋒在整個初級燃燒持續時間實際上保持靜止，處於相應於或接近於形成燃燒火焰前鋒的點的位置(接近於電極8的區域)。
為達到這一目的，最好，例如預燃室1的總容積與所含不與燃料混合的空氣的容積V1之比基本上等於在恆定容積中導致壓力升高的壓縮比，如果循環本身為奧託循環的話，則會發現在上述循環中這是由於燃燒作用而引起的。
因為發生上述的情況，當然，必須在任何循環中，初級燃燒的持續時間等於活塞完成上述膨脹所需的時間，因此噴射時間和壓力參數可被調節，並且適當地確定活塞的質量和預燃室(也可為圓柱形)及其開口1a的尺寸大小；為了減少死區和增加初級燃燒期間已燃燒的氣體的排出速度，也可限定所述開口作為限定預燃室的最終橫截面，從而增加由這些氣體產生的紊流。可通過增加產生發火觸點的電極的尺寸來減小預燃室的上述最終排出橫截面這樣做(見例如圖2中虛線)就減少了火焰的最大厚度，從而使其中的溫度減低到希望的範圍，並且還有一個通過輻射和對流吸收所形成的火焰的熱上升「尖端」的熱飛輪。
在有兩個相互呈鏡像配置並通入配置於它們之間的中心燃燒室的預燃室情況下，也呈鏡像置對的兩個預燃室的電極最好裝成相互有預定範圍的角「位移」，使它們圍繞相應預燃室的縱軸旋轉一特定角度。
這樣做確保了當從它們的開口排出的火焰而在中心燃燒室相會時形成明顯的漩渦(這情況未在圖中示出)。
本發明需要的另一有利的改進包括在預燃室上裝備當發動機工況改變時可改變容積V1的裝置。這可利用已知的並例如在一些更新型發動機中用來改變空氣進氣量的技術來實現。
按這些方面處置即可確保更好地控制在任何工況下火焰前鋒的定位。
權利要求
1.確保預定量液體或氣體燃料與在一端(1a)開嚮往複式內燃機一個氣缸或數個氣缸(6)的預燃室(1)內所含空氣混合，以及使如此所得的混合物點火的方法，使燃料自預燃室(1)封閉端(1c)由噴射器(2)軸向噴射，噴射器(2)在比預燃室本身中存在的壓力大的壓力餘量(ΔP)的作用下作動，其特徵是，所述燃料噴射在內燃機的壓縮半周期間完成，為此，確保燃料輸送的噴射器(2)和餘量(ΔP)應設計得能確保在燃料射流達到預燃室所述開口端(1a)的瞬間完全蒸發及/或與預燃室(1)內所含空氣混合，在射流直線運動期間，按該混合物濃度值(R)與上述空氣混合，此值可由自噴射點(A)向預燃室(1)的所述開口端(1a)的中心(C)上升的一預定曲線(7)表示。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵在於，位於預燃室(1)的封閉端(1a)附近的一限定量空氣(V1)中混合物的平均濃度值為零或無論如何都比化學當量濃度(Rst)小一預定值。
3.按權利要求2所述的方法，其特徵在於，將噴射器(2)插入預燃室(1)一預定深度(L)，以便限定在其外表面和預燃室(1)內表面(3)之間所含空氣的預定量(V1)，其中，混合物的濃度平均值為零或無論如何都比化學當量值小一預定值。
4.按權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，所述的容積(V1)等於或大於預燃室(1)的容積除以內燃機的壓縮比的容積值。
5.按權利要求2-4中任一項所述的方法，其特徵在於，給在所述容積(V1)內所含空氣輸送預定值的熱量。
6.按上述權利要求中之一所述的方法，其特徵在於，在內燃機活塞已達到最大壓縮的死點時的瞬間進行點火。
7.按上述權利要求中之一所述的方法，其特徵在於，通過產生設置在垂直於預燃室(1)軸線的平面(r)內並相應地配置於所述預燃室開口端(1a)的多個放電發火點進行點火。
8.按權利要求7所述的方法，其特徵在於，預燃室(1)的開口端(1a)是圓形的，並有四個發火點(8)，它們圍繞與預燃室圓形開口端(1a)同心並具有等於預燃室直徑(D)之半的直徑(d)的圓周(β)配置。
9.按上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，預燃室(1)的總容積在相應於最大壓縮時由內燃機活塞留下的死區容積的1/5和1/2之間。
10.按上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在每一循環期間所噴射的燃料量應使它在預燃室(1)中燃燒所產生的熱量足以提高在一個氣缸或多個氣缸(6)及在預燃室(1)中所包含的整個容積空氣的溫度，從而確保在活塞按給定速度曲線進行返回和膨脹期間，該溫度保持在燃料點火溫度以上一預定時間。
11.按上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，預燃室(1)的內壁用鍍鉻，研磨或其它提供類似效果的方法做成「光亮的」。
12.按權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，預燃室(1)的尺寸要設計得，在其內進行燃燒的時間期間，所包含的空氣容積(V1)在一個活塞或多個活塞的拉動作用下膨脹，最終基本上佔據其整個容積並在整個燃燒持續期間使燃燒火焰前鋒位置在預燃室(1)的開口(1a)附近保持靜止。
13.按權利要求12所述的方法，其特徵在於，在其中混合濃度為零的所述容積(V1)在發動機工況變化時可被改變。
全文摘要
確保預定量液體或氣體燃料與包含一端通向可替換內燃機氣缸(6)的預燃室(1)內的空氣混合,並使所述的混合物點火的方法,燃料由噴射器(2)自預燃室(1)的封閉端(1c)軸向噴射,噴射器(2)在比預燃室(1)本身存在的壓力大一定壓力餘量(△P)的作用下工作,為此,噴射器(2)和餘量(△P)應設計得能確保噴入的射流(5)在達到預燃室(1)所述開口端(1a)的瞬間完全蒸發及/或與預燃室(1)內所含空氣混合,並且,在射流直線運動期間,按混合物濃度值(R)與上述空氣混合,此值可由自噴射點(A)向預燃室(1)所述開口端(1a)的中心(C)上升的預定曲線(7)表示。
文檔編號F02P13/00GK1244232SQ97181286
公開日2000年2月9日 申請日期1997年11月3日 優先權日1996年11月7日
發明者皮爾·安德烈亞·裡加茲 申請人:皮爾·安德烈亞·裡加茲