火花点火发动机的湍流射流点火预燃室燃烧系统的制作方法

本申请是具有系列号13/286,638且在2011年11月1日提交的题为《Turbulent Jet Ignition Pre-Chamber Combustion System for Spark Ignition Engines》的美国专利申请的部分后续申请，并且要求具有系列号61/408,892且在2010年11月1日提交的题为《Turbulent Jet Ignition Pre-Chamber Combustion System for Spark Ignition Engines》的美国临时专利申请的权益。

发明背景

1.发明领域

本发明总的涉及点火系统，并且更具体地说，涉及具有带喷射器的至少一个燃烧室、点火装置和预燃室的内燃机的点火系统，预燃室可用于点燃小充注(charge)，这接着用于点燃内燃机的主燃烧室中的主空气燃料充注。

2.相关技术的说明

相关技术中已知的内燃机可通常包括在其它基本组件之中，具有一个或多个气缸的发动机缸体、与发动机缸体相关联的气缸盖、以及在每个气缸中被支撑成往复运动的活塞。活塞通常连接到连杆，连杆又使曲柄轴旋转。一般而言，燃料在气缸内燃烧以使活塞往复运动。活塞驱动连杆，连杆驱动曲柄轴，致使其在发动机缸体内旋转。

除了这种标准布置外，使用预燃室也是众所周知的，在预燃室中，小充注的燃料被点燃并且接着用于点燃主燃烧室中的主充注。多年来，已在相关技术中提出了很多不同的预燃室设计和布置。然而，具有预燃室的内燃机在汽车工业中尚未被广泛地商业采纳，通常因为它们受到较高成本和复杂性而有时燃料经济性没有任何显著增加或污染没有任何显著降低的困扰，使得增加的成本可能是不合理的。

因此，在本领域中仍存在着对内燃机的点火系统的需求，该点火系统提高 燃料经济性、降低由燃烧产物产生的污染，并且不是过于复杂的且制造成本低廉。

技术实现要素：

本发明解决了具有至少一个燃烧室的内燃机的点火系统在相关技术上的缺点。点火系统包括限定在内燃机的气缸盖中的壳体。壳体限定预燃室。点火装置被支撑在壳体中。点火装置具有大致面对预燃室的点火器部分。喷射器被支撑在壳体中。喷射器具有大致面对预燃室的喷嘴。预燃室限定近端部分，并且预燃室喷嘴设置成远离预燃室的近端部分并间隔开。预燃室喷嘴包括具有在0.7mm至2.0mm之间的范围内的直径的多个孔，该多个孔设置成彼此间隔开并提供预燃室与燃烧室之间的流体连通。点火装置的点火器部分和喷射器的喷嘴被可操作地支撑在预燃室的近端部分中，以便喷射器将预定量的燃料传送到预燃室中。点火器部分点燃预燃室中的燃料，以使部分燃烧的预燃室产物被迫通过预燃室的孔并被熄灭，但通过主燃烧室分配以点燃在其中的主燃料充注。

在一个实施例中，本发明的湍流射流点火预燃室燃烧系统使用保持小以当燃烧产物从预燃室离开进入主燃烧室时促进火焰淬熄的孔径。燃烧产物接着与主燃料充注反应并通过远离预燃室喷嘴一定距离的化学效应、热效应和湍流效应在主燃料室中的多个位置处引发燃烧。这样，本发明的点火系统能够提高高驱动周期(部分负荷)的燃料经济性，该提高可以大于被优化的发动机中的基准传统火花点火系统达到30％，以及在全开节流阀(WOT)的高峰热效率(大于45％)。这些发动机性能增强是由于燃烧提高、热损失降低、离解由于低燃烧温度而几乎消除以及在部分负荷的发动机节流降低的组合。此外，当与传统火花点火燃烧系统相比时，本发明的点火系统有助于低温燃烧，该低温燃烧能够实现几乎零离开发动机的NOx排放，同时解决峰值性能(BMEP)降低以及碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放不可控的前预燃室燃烧障碍。因此，本发明的点火系统可用于具有存在建立在传统乘用车(氧化和三效催化剂)上的排放控制系统的发动机中以满足现在和未来排放规章。最后，本发明的点火系统还提供了能够与任何火花点火发动机(预制或后制)一起工作而没有使用碳基燃料所需的基础发动机硬件修改的“螺栓上”的固定。

随着本发明的其它目的、特征和优点在阅读结合附图的随后说明之后变得更好理解，本发明的其它目的、特征和优点会容易被理解。

附图说明

图1是安装在具有至少一个燃烧室的内燃机中的本发明的点火系统的局部剖视侧视图，该燃烧室由设置在气缸中的活塞形成并由气缸盖封闭；

图2是本发明的点火系统的放大透视图；

图3是安装在内燃机中的本发明的点火系统的放大局部剖视侧视图；

图4是说明安装在点火系统的预燃室中的喷射器和点火装置的放大局部剖视侧视图；

图5是示出点火系统相对于进气口和排气口设置的燃烧室的上部的正视图；

图6是示出预燃室喷嘴的孔的局部正视图；

图7是示出本发明的点火系统在一个完整发动机周期内的点火顺序的曲线图；

图8A是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的燃烧稳定性对排气λ(λ)的曲线图；

图8B是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的进气歧管绝对压力以及抽吸平均有效压力对排气λ的曲线图；

图8C是火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的热效率对排气λ的曲线图；

图8D是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的排气口温度对排气λ的曲线图；

图8E是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的相对于λ等于1(化学计量运算)的火花点火的标准化热效率对排气λ的曲线图；

图8F是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的离开发动机的NOx排放对排气λ的曲线图；

图8G是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的离开发动机的HC排放对排气λ的曲线图；

图8H是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的离开发动机的CO排放对排气λ的曲线图；

图9A是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的燃烧角度的曲柄角度对排气λ的曲线图；

图9B和9D是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的0-10％质量分率燃烧对排气λ的曲线图；以及

图9C和9E是示出火花点火与本发明的湍流射流点火系统作比较的10-90％质量分率燃烧对排气λ的曲线图。

具体实施方式

本发明克服了点火系统在相关技术中的缺点，该点火系统在图1-6中总的以10表示，其中，在全部附图中，相同的附图标记用于标示相同的结构。如图1所示，本发明特别适合用于总的以12表示的内燃机中。在这种情况下，本发明的点火系统10示出为与内燃机12的单一气缸14连接。本领域的普通技术人员会理解，图1所示的发动机12只是本发明可用于的内燃机的很多构型之一。例如，本发明可用于两冲程或四冲程发动机中。此外，点火系统10也可用于多气缸发动机，在多缸发动机中，气缸可以以直列、V形或平直的方式或技术上众所周知的任何其它方式布置。本发明也可用于要么具有燃料空气充注进入主燃烧室的端口要么燃料空气充注直接喷射进入主燃烧室的化油器或燃料喷射式内燃机。

继续参照图1，内燃机12包括具有一个或多个气缸14的发动机缸体16，以及与发动机缸体16相关联的总的以18表示的气缸盖。总的以20表示的活塞被支撑成重复在气缸14中的往复运动。活塞20、气缸14和气缸盖18一起配合以限定燃烧室22。总的以24表示的连杆通过活塞销26固定到活塞20。曲柄轴28与连杆24相关联，而油底壳30与发动机缸体16相关联。气缸盖18限定进气歧管32和排气歧管34。至少一个进气口36限定在进气歧管32中，而至少一个排气口38限定在排气歧管34中。进气口36和排气口38通过凸轮驱动阀(未示出)打开和关闭以分别提供气缸14与进气歧管32和排气歧管34之间的流体连通。如图5所示的燃烧室的上部的视图所示，在一个实施例中， 内燃机12可包括两个进气口36和两个排气口38。然而，本领域的普通技术人员会理解，内燃机12可以包括任何数量的进气口和排气口。此外，并且在图1所示的实施例中，内燃机12还包括燃料喷射器40，燃料喷射器40安装在进气歧管32中作为将主燃料/空气充注通过进气口36引入燃烧室22的装置。类似地，燃烧产物通过排气口38离开燃烧室22。本领域的普通技术人员会理解，发动机12可使用将主燃料充注直接喷入燃烧室22的喷射器。类似地，发动机12也可包括许多其它传统部件，这些传统部件在技术上是众所周知的并且将不会在这里详细描述。

一般而言，燃料/空气混合物通过进气口36引入燃烧室22。这构成主燃料充注。燃料在气缸14的燃烧室22中燃烧以使活塞20往复运动，如以下将更详细描述的。活塞20驱动连杆24，连杆24驱动曲柄轴28，致使其在发动机缸体16内旋转。具体地说，气缸14内的燃烧压力驱动活塞20向下进行大致直线运动。在另一方面，曲柄轴28的运动驱动连杆24进行大致旋转运动。来自曲柄轴28的转矩可用于驱动如技术上众所周知的任何其它部件或相关系统。

现参照图2-6，本发明的点火系统10包括总的以42表示的壳体，该壳体限定在内燃机12的气缸盖18中。在一个实施例中，壳体42是被可操作地支撑在内燃机的气缸盖18中的单独部件。然而，本领域的普通技术人员会理解，壳体42可基本上限定在气缸盖18中并形成气缸盖18的一体部分。在任何情况下，并且在这些附图所示的实施例中，气缸盖18可包括端口44(图1)，端口44以这样的方式接纳壳体42使得壳体42与气缸盖18密封地配合，如以下将更详细描述的。此外，并且如以下更详细描述的，端口44可具有原先接纳内燃机12中的标准火花塞的大致尺寸和位置。这种特征有助于用本发明的点火系统10对现有发动机进行翻新。如图3最佳所示，壳体42限定火花塞腔部分46、喷射器腔部分48和预燃室50。这些部件中的每个及其与点火系统10的其它部件的相互关系将在下面更详细描述。

壳体42还包括具有绕圆筒形部分52设置的环形槽54的大致圆筒形部分52。如图4最佳所示，O形环密封56可操作地接纳在槽54中并适于与气缸盖18配合。此外，壳体42还包括具有形成在其上的平面60的截头圆锥形部分58(图2)。平面60与形成在气缸盖18上的对应表面配合以稳定并有助于壳 体42相对于气缸盖18固定(图4)。截头圆锥形部分58终止于肩部62，肩部62与限定在气缸盖18上的肩部64并列。密封垫圈66可用于这两个肩部62、64之间以将点火系统10密封在气缸盖18内。壳体42也包括总的以68表示的终止部分，终止部分68包括外螺纹70和内螺纹72。外螺纹70与形成在气缸盖18上的螺纹74配合以将壳体42安装在其中。本领域的普通技术人员会理解，点火系统可包括将点火系统牢固安装在气缸盖18中所需的任何其它适当密封或固定机构。

预燃室50限定近端部分76和总的以78表示的预燃室喷嘴，该预燃室喷嘴78设置成与预燃室50的近端部分76间隔开。如图4最佳所示，预燃室50包括截头圆锥形侧壁80并限定预燃室的预定容积，侧壁80大致从近端部分76延伸到预燃室喷嘴78。预燃室喷嘴78限定纵向轴线A并包括多个孔82，孔82设置成彼此间隔开并提供预燃室50与燃烧室22之间的流体连通。在一个实施例中，孔82具有在0.7mm至2.0mm之间延伸的范围内的直径并且绕纵向轴线A以间隔的关系相对于彼此设置。此外，并且在一个实施例中，孔径与预燃室容积的比值理论上在0.048l/cm²至0.067l/cm²的范围内。这个比值提供了最佳的最小和最大比例的部件尺寸设置以确保自由基湍流射流有效地穿透到主燃烧室中。这种有效穿透又确保由自由基湍流射流引起的点火点在主燃烧室中的最佳分布，由此产生有效和最佳的燃烧事件，如以下将更详细描述的。预燃室喷嘴78是大致杯状的并且包括外螺纹84，外螺纹84与在壳体42的终止部分68上的内螺纹72配合以将喷嘴78安装在其上。

点火系统10还包括总的以86表示的点火装置，点火装置86可操作地接纳在火花塞腔部分46中。点火装置86包括大致面对预燃室50的点火器部分88。同样地，喷嘴90可操作地接纳在喷嘴腔部分48中。喷射器90具有大致面对预燃室50的喷嘴92。点火系统10还包括冷却管94(图2)，冷却管94提供冷却流体源与壳体42之间的流体连通。冷却流体可要么是空气、水，要么是适于这种目的的任何其它流体。然而，本领域的普通技术人员会理解，冷却管94和冷却流体的提供是可选的。此外，本发明的点火系统10也可使用直接喷射安装套管96(图2)，直接喷射安装套管96包围喷射器90并使该部件稳定在形成在气缸盖18中的端口44内。

在一个实施例中，点火装置86的点火器部分88和喷射器90的喷嘴92被可操作地支撑在预燃室50的近端部分76中并设置成与其齐平，以便喷射器90将预定量的燃料传送到预燃室50中。点火器部分88点燃预燃室50中的燃料。一旦被点燃，燃料被迫通过预燃室喷嘴78的孔82，使得火焰被熄灭。即使被熄灭，该预燃室的燃烧产物被分配通过燃烧室22以点燃在其中的主燃料充注。

使用本发明的点火系统10的点火顺序在图7中示出。点火顺序与传统火花点火加燃料策略不同，因为有添加预燃室燃料(大约总能量的2％)，该预燃室燃料通过喷射器90喷入预燃室50并接着通过点火装置86点燃。预燃室加燃料事件定时成在火花放电之前终止于大约50°。这确保富的、充足的混合物可容纳在预燃室50中，这已被证明通过活性自由基的形成化学地增强燃烧过程。

这种现象的净效应是产生所谓的“湍流射流点火”的条件。湍流射流点火使得能够由于点火系统10产生多个分布式的点火位置而有非常快的燃烧速度，该点火位置快速消耗主充注并具有最小燃烧变异。孔82的相对较小尺寸致使燃烧混合物快速行进穿过孔82，这如上所述使火焰熄灭但用部分燃烧的预燃室产物作为燃烧室22的火种。预燃室燃烧产物通过远离预燃室50一定距离的化学效应、热效应和湍流效应产生并点燃主燃烧室充注，因此产生分布式点火系统。

如上所述，孔82的直径和这些直径与预燃室的容积的比值产生更深地穿透到主充注中的湍流射流。为此，并且作为避免撞击燃烧室壁的方式，在一个优选实施例中，预燃室容积相对较小。当与传统火花点火燃烧相比时，快的燃烧速度允许稀释水平(贫燃烧和/或废气再循环[EGR])提高。当与传统化学计量火花点火燃烧相比时，高稀释分率使本发明的点火系统10能够在非优化的发动机中的燃料消耗上有18％的提高纪录。然而，预计本发明在具有优化燃烧室的发动机中的燃烧消耗上会实现差不多30％的提高。效率提高是由于燃烧提高、离解由于低燃烧温度而几乎消除以及发动机节流降低的组合。此外，低温燃烧导致具有可控水平的HC和CO排放的个位数的百万分之一(ppm)的离开发动机的(NOx)排放。

图8A-8H显示采自本发明的点火系统的单气缸性能的相关数据，该相关数据包括在1.500转/分的固定速度/负荷的全局映射点(worldwide mapping point)、3.3巴的指示净平均有效压力(IMEPn)下的本发明与标准火花点火发动机之间的效率和排放对比。火花点火试验通过汽油进行，该汽油是喷射的端口燃料，而本发明的点火系统使用大约98％汽油和2％丙烷的混合物。汽油是喷入主燃烧室的端口燃料，而丙烷直接喷入预燃室。然而，本领域的普通技术人员会理解，任何碳基燃料可用作预燃室燃料。

更具体地说，图8A示出了对于富的条件和贫的条件两者的多达10％的总IMEP的变异系数(CoV IMEPg)极限的燃烧稳定性对比。过量空气结果表明，本发明的点火系统与标准火花点火系统的仅1.4相比能够工作直到2.1的排气λ。

图8B、8C和8D示出，与高过量空气率相关联的较低排气温度可接近有效HC和CO氧化所需的较低温度极限。对于相等排气λ，本发明的点火系统由于提高燃烧速度而产生平均比火花点火低20℃至40℃的排气温度，提高燃烧速度使排气系统的主(host)损失最小。此外，当与其它低温燃烧系统相比时，本发明的点火系统的另一主要优点是燃烧定相可通过改变预燃室火花放电来控制，因此为排放和燃料经济性提供相对简单的燃烧控制方法。此外，这些附图示出，使用本发明的点火系统的发动机节流降低(de-throttling)(在保持同一负荷的同时提高歧管压力)对于同一负荷相对于化学计量的火花点火工作在大约30kPa的较高MAP。这使抽吸损失能够降低大约0.3巴PMEP。

图8E凸显的事实是，当与化学计量的火花点火燃烧相比时，本发明的点火系统当用于单气缸试验设备时能够产生18％的燃料经济性提高。如上所述，效率提高是由于燃烧提高、离解由于低燃烧温度而几乎消除以及发动机节流降低的组合。

图8F和8G示出使用本发明的点火系统的发动机与标准火花点火发动机之间的离开发动机的排放对比。如上所述，借助本发明的点火系统，内燃机可使用高过量空气水平的主燃料/空气充注。高过量空气水平由于较低的峰值燃烧温度而有助于非常低的离开发动机的NOx排放。图8F和8G示出，当本发明的喷射点火系统用于内燃机中时，对于大于1.8的排气λ值，NOx排放降至几 乎零水平(小于10ppm)。这种与本发明的点火系统相关联的优点提供不能用于火花点火贫燃烧应用的独特的排放控制机会和策略。超过λ1.8的非常低的离开发动机的NOx排放提供了消除在对排放控制进行处理之后对贫Nox的需求的可能性。相反地，借助本发明的点火系统，离开发动机的排放可用传统三效催化剂进行控制。

图8G和8H提供了两个系统之间的HC和CO排放的对比。这两个附图凸显的事实是，对于每个燃烧系统，当达到富的或贫的稀释极限时，有显示显著的增加。

图9A至9E示出具有直到1,500转/分、3.3巴IMEPn的燃烧稳定性极限的不断增加的稀释水平的火花点火与采用本发明的点火系统的内燃机两者的燃烧燃烧对比。图9A示出在10％、50％和90％的燃烧角度位置的火花放电。燃烧角度表示燃烧10-90％的质量分率(燃料充注)所采用的曲柄角。图9B和9D以及图9C和9E分别凸显0-10％和10-90％的质量分率的燃烧持续时间。

与图9A所示的燃烧角相关的数据示出，本发明的点火系统能容许在贫区中相当高的稀释水平。产生于本发明的点火系统的由湍流射流引起的分布式点火提供了显著增加的燃烧速度与更快的火焰引发且因此蔓延。也应注意，火花点火和本发明的点火系统两者的最佳50％燃烧角度不管根本不同的燃烧过程，都出现在跨越不同过量空气稀释的6-8°的ATDC曲柄角范围内。然而，跨越整个稀释范围，借助本发明的点火系统，火焰引发比借助火花点火更快出现。

如图9B和9D最佳所示，过量空气湍流射流点火的0-10％质量分率燃烧结果凸显，火焰引发不会随着λ增加而显著变化，始终在20-25°曲柄角附近徘徊。这是由于预燃室中接近恒定的混合物组成加上由射流和存在于燃烧射流中的高水平的化学活性物种提供的分布式点火位置。就使用火花点火的内燃机来说，在火花放电之后引发和稳定火焰中心由于与被稀释的混合物相关联的火焰中心增长降低而花费较长时间。

图9C和9E所示的10-90％质量分率的燃烧数据示出混合物的使火焰蔓延的能力。这些结果凸显的事实是，由于与较富混合物或较贫混合物和较低燃烧温度相关联的火焰速度降低，火焰蔓延随着稀释增加而变慢。如与0-10％燃烧持续时间一致，借助本发明的点火系统的10-90％燃烧持续时间比借助火花点 火短。喷射的作用在燃烧过程的火焰蔓延部分期间较不明显，因为一旦汽油在主燃烧室中被点燃，10-90％燃烧数据更多表明蔓延穿过主燃料的多个火焰锋。然而，预燃室燃料在主燃料燃烧期间继续发挥作用，这样，借助本发明的点火系统发生的燃烧持续时间相对于火花点火明显较短。这是因为由预燃室燃料提供的燃烧增强并且燃烧射流中产生的高水平的活性自由基保持在蔓延的火焰中。

因此，本发明的点火系统通过使用有助于这些结果的许多特征获得显著改进的工作参数。例如，小于2％的余隙容积的相对较小预燃室容积使裂隙容积、HC排放、热损失、表面容积比效应以及预燃室残余气体最小。提供预燃室50与主燃烧室22之间的流体连通的相对较小的孔82(具有大小在0.7mm至2.0mm之间的范围内的直径)允许火焰淬熄并穿透到燃烧室22中。燃烧的预燃室产物(化学效应、热效应和湍流效应)在多个位置引发主燃烧室燃烧。此外，使用齐平安装的电子控制的直接喷射器86单独加燃料的预燃室50允许富混合物容纳在预燃室50中，而燃烧室22用过量空气和/或EGR大量稀释。喷射器86在预燃室50的近端部分76的位置有助于清除预燃室残留物并使裂隙容积最小。在内燃机使用例如利用电子控制的端口燃料喷射或直接喷射单独加燃料的燃烧室22的情况下，本发明允许均质或分层的燃烧室混合物以及因此HC/NOx排放控制。此外，使用具有电子控制点火的齐平安装的点火装置86引发预燃室燃烧的火花塞允许简单的燃烧定相控制。此外，本发明的点火系统10将诸如汽油、丙烷或天然气的市售燃料用于主燃烧腔和预燃室燃烧腔两者。

这样，本发明的点火系统能够提高高驱动周期(部分负荷)的燃料经济性，该提高可以大于被优化的发动机中的基准传统火花点火系统达到30％，以及在宽口节流阀(WOT)的高峰热效率(大于45％)。这些发动机性能增强是由于燃烧改善、热损失降低、分离由于低燃烧温度而几乎消除以及在部分负荷的发动机节流降低的组合。此外，当与传统火花点火燃烧系统相比时，本发明的点火系统有助于低温燃烧，该低温燃烧能够实现几乎零离开发动机的氮氧化物排放，同时解决峰值性能(BMEP)降低以及碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)不可控的前预燃室燃烧障碍。因此，本发明的点火系统可用于具有存在建立在传统乘用车上的排放控制系统(氧化和三效催化剂)的发动机中以满足现在和 未来排放规章。最后，本发明的点火系统还提供了能够与任何火花点火发动机(预制或后制)一起工作的“螺栓上”固定，而没有所需的基础发动机硬件修改。

已经以说明性的方式描述了本发明。应当理解，已经使用的术语应被理解为词语的描述本意而不是限制的本性。本发明的很多修改和改变能够根据上述教义作出。因此，本发明可实践成与具体所述的不同。