专利名称：燃烧增强系统和方法
相关申请的相互参考本申请请求享有于2000年6月8日提出申请的美国临时申请号60/210,243的较早申请日的优先权，本文整个加以引用参照。
背景技术：
据信在燃料中加入氢使发动机的运行更洁净，因为氢据信能促进完全燃烧。这似乎被描写于如Heywood，J.B的《内燃机基础》(McGrawHill，773-774，1988)，Das，L.M.的论文“氢发动机回顾过去及前景展望”(国际氢能杂志，15卷，425页，1990年)和Deluchi，M.A的论文“氢以及燃料储存、性能、环境安全冲击和成本的评价”(国际氢能杂志，14卷，81页，1989年)。这些例子的一个问题是，它们不能明确地说明如何以紧凑的装置在运载工具上有效地产生氢。在运载工具上储存氢的其它途径是不实用的，因为如果氢以压缩气体、液体储存，则这些途径可能需要高压容器、低温容器，如果氢以氢化物储存，则需要大的容器。
若干途径据信已被追踪用于在运载工具上产生氢。这些途径之一似乎是利用水的电解，即将水分子分解为氢和氧并将氢引入内燃机，如Munday，J.F在美国专利No.5,143,025“产生发动机燃料的氢和氧系统”中所述。但是，据信用电解产生氢的效率比等离子体装置要低约一个数量级。也可以在碳电极之间通过电流使水与固体碳相互作用而在运载工具上产生氢，如Dammann，W.A的“从水产生用作燃料的气体的方法和装置”(美国专利No.5,159,900)中所述，其中碳受到氧化而形成CO和H2。该途径可能由于持续时间短和需要大电流而不实用。另外，Greiner，L.和Moard，D.M.的“内燃机用排放减少系统”(美国专利No.5,207,185)提出使用一燃烧器来利用一部分碳氢化合物燃料重新形成另一部分而产生氢。该氢然后与该碳氢化合物燃料混合而引入内燃机。更实用的途径似乎是由Bresbears等人提出的(见Breshears，R.，Cotrill，H.和Rupe，T.的论文“部分氢喷入内燃机”，EPS第一届低污染功率系统研制讨论会会议录，Ann#Arbor市，美国密歇根州，1973年)。他们提议将一部分汽油从流道引入发动机，并使其通过一个热转换器，在其中使蒸气转化，以产生富氢气体。
已经发展了一种在运载工具上产生氢以用于内燃机燃料富集的途径。该途径利用一种体积相当小的等离子体发生器(据信等于一个酒瓶的体积)，以便于将范围宽广的碳氢化合物燃料转化为富氢气体而不必使用催化剂，如下列论文中所述Rabinovich，A.，Cohn，D.R.和Bromberg，L.的“减少车辆污染用的等离子体发生器内燃机系统”，国际车辆设计杂志，15卷，234页，1995年；Cohn，D.R.，Rabinovich，A.和Titus，C.H.的“用于极低排放的内燃机车辆的氢的车载等离子体发生器运转产生”，国际车辆设计杂志，17卷，550页，1996页；Cohn，D.R.，Rabinovich，A.，Titus，C.H.和Bromberg，L.的“利用车载等离子体发生器产生氢的极低排放的车辆的近期可能性”，国际氢能杂志，22卷，715页，1997年；Cohn，D.R.，Rabinovich，A.，Titus，C.的“快速响应的等离子体燃料转换器系统”，美国专利No.5,887,554，1999年。一台内燃机被连接而接受从等离子体发生器来的富氢气体。据信一台等离子体发生器通过利用电弧放电、高频感应放电或微波放电来加热导电气体而产生等离子体。在等离子体发生器的等离子体中，在5,000-10,000K之间的温度下，将碳氢化合物和空气部分氧化转换为富氢气体的反应率是高的。由Bromberg，L.，Cohn，D.，Rabinovich，A.，Sama，J.，Virolen，J.在论文“车用紧凑等离子体发生器加速氢产生工艺” (国际氢能杂志，24卷，341-350页，1999年)中描述的过程可以表示如下(1)式中m和n是碳氢化合物分子中碳和氢原子的数目。
作为产生车辆用的富氢气体的许多方法之一，等离子体发生器是非常有吸引力的。它应当可能几乎瞬时地产生富氢气体，该富氢气体可以用于起动车辆。在整个行驶周期内，富氢气体流量的快速变化可以通过变化的等离子体发生器参数如能量、输入量、流动速率、产品气体成分等来调节。虽然等离子体发生器对车辆用途可能是有利的，但据信其体积会妨碍实际应用。
发明概要本发明提供一种通过一个点火源来输送燃料的系统。本发明的系统提供一种利用一个等离子体点火装置的点火源。该具有将燃料输送到点火源的配置的等离子体点火装置也包括一种改进燃烧循环的燃料或空气/燃料混合物分解装置。本发明是通过影响进入燃料室的空气/燃料混合物的物理结构来达到这种改进的。本发明提供一种分解燃烧室内燃料的燃料输送系统。本发明能够分解燃料或空气/燃料混合物来提高用于燃烧的燃料的质量。燃料的分解可以包括使燃料或空气/燃料混合物氢化。本发明可以分解燃料也可以点燃燃料。在本发明的系统内，燃料的分解和点燃可以通过单独一个点火源来完成。该单独的点火源可以是一种具有产生和移动等离子体的短的持续时间的高能点火源。本发明也提供一种能够特别控制提供给燃烧室的燃料/空气混合物的质量和数量的燃料输送系统。本发明也提供一种能够利用一个单独部件来分解和点燃燃料、空气/燃料混合物或可燃混合物的直接喷射燃料系统。本系统也提供一种在一个发动机舱内降低燃料输送空间要求的系统。
在一个优选实施例中，本发明提供一种燃料输送系统。该系统包括一个邻近一燃烧区的点火器。该点火器包括一个第一导电表面，该表面与一第二导电表面间隔而形成一个与该燃烧区直接连通的间隙。一个燃料源向该间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物。一个控制器在第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲，该电脉冲分解通过放电间隙的至少一种燃料或空气/燃料混合物。
在另一个优选实施例中，本发明提供一种燃料输送系统。该系统包括一个邻近一燃烧区的点火器。该点火器包括一个外罩、一个第一导电表面、一个与第一导电表面间隔而形成一放电间隙的第二导电表面。该第一导电表面有一第一长度，该第二导电表面有一第二长度。第一和第二长度中的较短者界定一个放电间隙长度。第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度。该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至3。一个燃料源在操作中连接在点火器上，以便向放电间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物。一个控制器在第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲。
在本发明的另一优选实施例中，提供一种燃料输送系统。该燃料输送系统包括一个邻近一燃烧区的点火器。该点火器包括一个第一导电表面，该表面与一第二导电表面间隔而形成一个与该燃烧区直接连通的放电间隙。一个绝缘体有一个向该放电间隙暴露的表面。该放电间隙有一放电起始区，该绝缘体有一个向形成该起始区的至少一部分的放电间隙暴露的表面。该绝缘体具有一个向该放电间隙暴露的表面的至少一部分。一个燃料源向该放电间隙提供至少一和燃料或空气/燃料混合物。该系统也有一个控制器。
在另一个优选实施例中，本发明提供一种燃料输送系统。该系统包括一个联接燃烧区的点火器。该点火器包括一个具有沿一中心纵轴线配置的第一部分和第二部分的外罩、一个沿该中心纵轴线延伸的电极、一个邻近该外罩的第二部分的第一导电表面、一个邻近该外罩的第二部分并与该第一导电表面间隙而形成一放电间隙的第二导电表面、一个向该放电间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物的燃料源。该系统包括一个控制器，该控制器在第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲。
在另一优选实施例中，一个点火器包括一个有一第一部分和一第二部分的外罩、一个邻近该外罩的第二部分的第一导电表面、一个邻近该外罩的第二部分并与第一导电表面间隔而形成一放电间隙的第二导电表面。该放电间隙有一放电起始区。一个流体通道延伸在该第一部分和第二部分之间，该流体通道与该放电间隙连通。一个绝缘体有一个向该放电间隙暴露的表面。
在另一实施例中，一个点火器包括一个有一第一部分和一第二部分的外罩、一个邻近该外罩的第二部分的第一导电表面，该第一导电表面有一第一长度，一个第二导电表面与该第一导电表面间隔而形成一个放电间隙。该第二导电表面有一第二长度。该第一和第二长度中的较短者界定一个放电间隙长度。该第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，其中该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于约1至约3。一个流体通道延伸在该第一部分和第二部分之间。该流体通道与该放电间隙连通。
在一个优选实施例中，本发明提供一种点火器。该点火器包括一个具有沿一中心纵轴线配置的第一部分和第二部分的外罩。一个电极沿该中心纵轴线延伸并具有一个邻近该外罩的第二部分的第一导电表面、一个邻近该外罩的第二部分并与该第一导电表面间隔而形成一放电间隙的第二导电表面。一个流体通道延伸在该第一部分和第二部分之间，该流体通道与该纵轴线隔开而与该放电间隙连通。
在另一优选实施例中，本发明提供一种分解供一燃烧系统用的燃料的方法。该燃烧系统具有一个燃烧区、一个在操作中连接该燃烧区的燃料源、一个有一第一导电表面和一与其间隔而形成一放电间隙的第二导电表面的点火装置。该方法包括配置该点火装置使得该放电间隙与该燃烧区直接连通；并通过该放电间隙分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
在一个优选实施例中，本发明提供一种电离供一燃烧系统用的至少一种燃料或空气/燃料混合物的方法。该燃烧系统具有一个燃烧区(一个流体源在操作中连接到该燃烧区)、一个有一第一导电表面和一与其间隔而形成一放电间隙的第二导电表面的点火装置。该方法包括配置该点火装置，使得该放电间隙与该燃烧区直接连通；并电离在该放电间隙中的流体。
在一个优选实施例中，本发明提供一种通过一个装置点燃一燃烧区中的至少一种燃料或空气/燃料混合物的方法，该装置具有至少一个沿一纵轴线配置的中心电极和一个在该至少一个电极与其它电极之间形成的放电间隙。该放电间隙配置在该中心电极周围。该方法包括向该放电间隙配送至少一种燃料或空气/燃料混合物；以及通过该放电间隙产生至少一个电脉冲，以便燃烧并相对于该纵轴线沿径向向外喷射该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
在一个优选实施例中，本发明提供一种在一燃烧系统中点燃至少一种燃料或空气/燃料混合物的方法。该燃烧系统具有一个燃烧区(一个燃料源在操作中连接到该燃烧区)、一个具有一第一导电表面和一与其间隔的第二导电表面的点火装置。该方法包括向该第一导电表面和第二导电表面通过一个处于第一电流的第一电压电脉冲，该第一导电表面有一第一长度，该第二导电表面有一第二长度，该第一和第二长度的较短者界定一个放电间隙长度，该第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，其中该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至3；并在该放电间隙之间通过一个处在大于或等于该第一电流的第二电流而其电压小于或等于该第一电压的第二电脉冲。
附图简述本文包括的构成本说明书的一部分的附示了本发明的一个实施例，这些附图与上面的概述和下面的详述一起，用于说明本发明的特点。
图1例示本发明的一个优选实施例的一种分解燃料并点燃一种氢增强的可燃混合物的装置的截面图。
图2例示本发明的一个优选实施例的一种燃烧增强系统。
图3是说明图1中图示的燃料富集工艺的细图。
图4是图1中的氢富集/点燃装置与一个操作该氢富集/点燃装置的控制器电路相结合的示意图。
优选实施例详述图1和2例示一种燃烧增强系统的一个优选实施例。如图2中所示，该系统包括一个燃料输送系统100，带有一个发动机200、点火器300、400、一个控制装置500和一个能够在压力下泵送燃料或空气和燃料混合物的燃料源600。发动机200可以是一种二冲程或四冲程的汽油发动机或柴油发动机。发动机200也可以是一种直接喷射式二冲程或四冲程的汽油发动机或柴油发动机。在使用柴油的情况下，该系统提供富集的氢以增强燃烧。该系统在操作中与一个燃烧区相结合，在这种情况下，该燃烧区是发动机200的气缸220的燃烧室210。虽然该燃烧区最好位于该燃烧室内，但该燃烧区可以是需要燃烧的任何区域，如位于冲压式喷气发动机、废油煅烧炉、喷气式发动机中或任何需要燃烧的环境中。
该燃烧区或燃烧室210具有至少一个受控制器500控制的点火器300。控制器500最好设置一个可以编制程序的计算机，该计算机接受感知的输入信号来确定对发动机200的至少一个点火或燃料输送的策略。该策略可以包括用一个点火器将一种燃料或空气/燃料混合物分解而产生氢，随后或基本上同时用另一个点火器400点燃该混合物的至少一部分。最好是，控制器500能够控制单独一个点火器将输送到点火器300的燃料或空气/燃料混合物分解为一种富氢混合物，后者能够与补充的空气/燃料混合物结合而形成一种由同一点火器300点燃的可燃混合物。
也可以由燃料源600向点火器300提供至少一种燃料或空气/燃料混合物。该点火器可以进行分解、点燃或分解和点燃。这里，燃料源600可以包括一个从燃料箱620抽吸燃料而将燃料提供给点火器300的泵610。或者是，燃料源600也可以向点火器300提供压缩空气或压缩/未压缩空气和燃料的混合物来分解和/或燃烧一种可燃混合物。该燃料或者可以通过同一点火器300输送到燃烧区，或者可以从燃烧区内任何点将燃料输送到点火器300，例如将燃料喷射通过燃烧区。该燃料可以是碳氢化合物类燃料或包括含有一种氧化剂作为其物质结构一部分的物料的其它可燃物料。最好是，该燃料是火花点燃式发动机用的汽油或天然气。
点火器300配置在燃烧区近邻。点火器300的位置邻近燃烧室，因此点火器300的操作影响进入燃烧室的燃料和空气/燃料混合物的状况。最好是，点火器300通过机械联接在发动机200的气缸头上例如通过整体联接或例如一种螺纹联接380而配置在燃烧室近邻的。在图1中，点火器300包括一个外罩，该外罩可以包括一个第一外壳350，后者利用机械联接如螺栓361联接在一个第二外壳352上，两个外壳之间设有高温高压密封件354。外壳可以沿一轴线非对称地设置。这里，该轴线可以沿纵轴线A-A或在A-A上。最好是，外壳围绕一根可以是或可以不是纵轴线A-A的轴线对称地设置。
第二外壳352的一部分构成一个电极或一个第一导电表面302。第一导电表面302也有螺纹380，与气缸头中形成的对应螺纹配合，气缸头可以提供有待连接到点火器300的接地极。最好是，第一导电表面和第二导电表面在操作中连接到一根同轴电缆上，以提供接地极或电极回路。外罩中配置一个绝缘体340(最好是电绝缘体)，通过绝缘体340伸出一个中心电极或第二导电表面304。该中心电极可以沿平行于该中心轴线的一根中心轴线A-A设置，或设置在该中心轴线的一部分上。应当理解，中心电极或第二导电表面304设置成与第一导电表面302同轴配置，而围绕点火器300的中心轴线A-A也可以配置多于一个的中心电极。或者是，可以相对于中心轴线A-A以不同偏移配置一个或甚至两个或更多个电极。此外，每个电极可以有多根从其伸出的杆。
虽然图示的绝缘体340具有径向凸出部342，但点火器300可以做成没有此种凸出部，只要在绝缘体340和外罩之间留一个充分的间隙，使燃料能够从口356流向放电间隙306。
如图1和3中所示，第一导电表面302与第二导电表面304间隔，形成一个放电间隙306。放电间隙306与燃烧区直接连通。特别是，放电间隙306和燃烧室是这样取向的，使得放电间隙306中的任何介质可以通过放电间隙306的一个出口流向燃烧室而不需任何正向机械限制(如止回阀)。但是，在放电间隙306和燃烧室之间可以利用中间通道或中间室。放电间隙306包括一个围绕普通区309的放电起始区，该区是一个两个导电表面之间击穿电阻最低的区域。围绕普通区309的放电起始区可以在第一导电表面302和绝缘体340的一个表面和第二导电表面304之间的任何区域上形成。在一些应用中，绝缘体340的一个暴露表面可以构成围绕普通区309的放电起始区的至少一部分。
一个口356可以联接在第一或第二外壳的任何一个上。口356使得从燃料源600来的燃料能够与放电间隙306连通。口356包括一个在外壳上的入口部分360。该入口部分可以连接在一个燃料源600如燃料喷射器上。这样，燃料源600通过一个流体通道358与放电间隙306形成流体连通而输送燃料359。虽然图示的通道通常是对称的，但该通道也可以相对于中心轴线A-A偏置。而且，通道358也可以设置在中心轴线A-A上，或设置在沿中心轴线A-A的仅仅某一部分上。
至少绝缘体340的一部分309可以是一种多孔材料，使得能够与放电间隙306形成流体通道。绝缘体340可以包括一种半导体或一种介电材料。绝缘体340最好包括一种可以极化的陶瓷，但是，其它材料如熔融氧化铝、可以机加工的玻璃陶瓷、稳定氧化锆、难熔水泥或磁性陶瓷也可以用作绝缘体340或其一部分。最好是，作为电极表面的导电表面，可以是钢、包覆金属、镀铂钢、铂、铜、铬镍铁合金、钼或钨、或者，导电表面可以是高温永磁材料。
已经确定，导电表面和绝缘体340的尺寸参数之间的一定关系对于有效使用能量和材料的耐用性是重要的。这些尺寸参数是“放电间隙长度”和“放电间隙宽度”。这里，“放电间隙长度”定义为从围绕普通区309的放电起始区向放电间隙306的出口延伸的一个或多个导电表面的最短长度。放电间隙长度和放电间隙宽度的取向是相对于可以平行于或横交于任何一个或两个导电表面的一根纵轴线A-A的一根轴线而确定的。
例如，在本文图3中示出的一个优选实施例中，首先测定从围绕普通区309的放电起始区沿一根也平行于纵轴线A-A的轴线向着出口延伸的第一导电表面302的第一长度l1。然后测定也从围绕普通区309的放电起始区向着出口延伸的第二导电表面304的第二长度l2。两个长度l1和l2的较短者定义为“放电间隙长度”。
另一方面，“放电间隙宽度”是第一导电表面302和第二导电表面304之间的最短距离。
已经确定，在某些情况下，“放电间隙宽度”对“放电间隙长度”之比应当大于约1至约3(～1至～3)，在一个优选实施例中，放电间隙宽度对放电间隙长度之比的最大值为约3。
图4示意地例示点燃通过孔塞提供的喷射的燃料或燃料/空气混合物的点火器300的操作原理。如上所述，燃料640通过通道358提供给放电间隙306。至少一个能量相当低的电脉冲输送到两个导电表面之一。最好是，该电脉冲是一系列高重复率的脉冲，最好至少比运转发动机200的燃烧循环的频率高一个数量级。然后在放电间隙306内在气态混合物的高压击穿过程期间产生一个等离子体。初始气体击穿区的位置可以称之为围绕普通区309的放电起始区。在许多情况下，电离混合物或等离子体由于外加快速低能电脉冲而产生在绝缘体340的表面附近。由于在等离子体中流动的电流，在点火器电极结构中产生电流。该电流产生一个磁场，该磁场对放电中流动的电流产生一个劳伦兹力。该力可能足以移动等离子体。最好是，由于劳伦兹力的作用，等离子体312从围绕普通区309的放电起始区向放电间隙306的出口移动。当等离子体312向着电极端部(也即向着燃烧区)移动时，它分解气态混合物而产生氢分子(H2)和一氧化碳(CO)分子，两种分子是在等离子体312中按照方程式(1)从燃料分子产生的。为了使这个富集氢的过程高效，通过等离子体312的电流脉冲应当足够地短并多次重复，以保持等离子体312离开第一和第二导电表面304的放电间隙306的出口端部。
在图1中，一个高压燃料喷射器(未示出)联接在点火器300中的一个燃烧喷射管线上。绝缘体340的形状做成使其与外电极之间有一足够的间隙以流动燃料359。形成第一导电表面302的一部分的第二外壳352气密地密封在绝缘体340上。第二外壳352附接在第一外壳上，并用至少一个高温高压密封件密封。燃料359可以在第一导电表面302和绝缘体340之间流入绝缘体340端部处的中心电极和外电极之间的自由空间中。
回到图3，当燃料359到达电极(在绝缘体端部处)之间的自由空间311时，一个从控制器的脉冲发生器510到中心电极的高压脉冲将引发电极之间的放电。在一定条件下，该放电将沿绝缘体340的表面引发。然后洛仑兹力和热力将使等离子体312(即电离的燃料或空气/燃料混合物)扩展离开围绕普通区309的放电起始区。在放电于电极之间扩展时，在围绕普通区309的放电起始区中流动的电流将继续电离燃料或燃料/空气混合物，产生一个大体积的等离子体312a。据信，为了增强放大间隙306中氢的产生，应当控制传送给等离子体312的能量，从而有利于分解而不会产生高度电离，高度电离对于用来产生燃烧的点火器300据信是很典型的。
这可以通过降低电脉冲的能量来达到。可以通过改变至少一个电脉冲的电压、电流和频率中的至少一个来控制温度、体积和速度之类等离子体参数。这允许当该系统作为氢发生器操作时在作为喷射的燃料体积和产生的氢量的函数的系统的最优化过程中有相当大的自由度。系统最优化过程中一个附加的参数是两个电极之间的放电间隙宽度“W”和电极的放电间隙长度“1”(此处“1”是长度“l1”和“l2”中最短者)的相互关系。所述参数允许通过控制电脉冲的能量电流和持续时间中的至少一个来控制等离子体速度。
上述点火器300可以以作为燃料输送系统一部分的两种独立模式来操作。
模式I在模式I中，点火器300的功能只是作为一个燃料喷射和氢产生装置。为了形成燃料或空气/燃料混合物的燃烧，该系统需要一个第二点火器如点火器400来提供点燃功能。
模式II在模式II中，该系统的功能是作为氢产生装置和燃料室中燃料或空气/燃料混合物的点火器两者。当作为氢产生装置操作时，该系统以低能量、高重复率的电脉冲操作。这些脉冲的数目取决于所需喷射的燃料的体积和在ti时触发该电脉冲之前的脉冲起作用的持续时间tf。在点燃时间tf(此处ti＞tf)，该高能量电脉冲由一个附加脉冲发生器提供。该系统可以对低能高频率电脉冲的数目、每个脉冲传递的电能量和由燃料喷射器(未示出)输送的燃料体积进行最优化。
在一种情况下，当足够大量的燃料或燃料/空气混合物带着输送给点火器300的大量(～300mJ)电能流过火花塞时，以模式II操作的点火器300可以用单独一个脉冲操作。需要这样大的电脉冲是为了形成点燃可燃混合物的等离子体312。最好是，这里描述的分解形成氢富集的基础，这种氢富集产生用于燃烧的富氢的燃料和空气/燃料混合物。被氢富集的等离子体312燃烧并向着燃烧室加速。等离子体312的这种状态决定电脉冲能量对电极之间放电间隙306的长度之比的限度。此种状态的一种良好的指标可以是放电电流离放电间隙306如围绕普通区309的放电起始区应当不超过电极长度1/3的地方。例如，对于约3mm的电极长度，1.2mm的间隙宽度，而等离子体312通过放电间隙306的平均速度为3×104cm/sec，脉冲应当不超过3微秒。
图4表示一个具有能使点火器300在模式I或模式II操作的双能量装置的控制器500的简化示意图。此处示出的双能量装置是一种简化的示意形式，最好需要一个点火控制器、一个多通道计时器Tr1、一个超快开关Esw、两个晶体二极管、四个电容器、一个电阻器和一个电感器。这些部件可以整合为单独一个部件，分为几个独立的分部件，或分成几个达到上述系统功能的电路。在模式I中，电容器C3和C4与电感器L1是用于一个第二点火器400的独立点火系统的一部分，它也可以是完全参考合并于此的美国专利5,704,321和6,131,542中所述的移动式火花点火器(TSI)。
在模式II中，电子计时器Tr1在停止信号后的一个可调延迟时间点提供信号，以闭合电子开关(Esw)，该开关通过二极管D1将充电到电压Vs的电容器C3和C4连接到中心电极上。这些电容器提供至少比电容器C1和C2提供的能量高10-20倍的能量的低电压大电流电脉冲，以便点燃燃烧室中的燃烧混合物。利用该电路，将一个低能量高重复率的电脉冲提供给点火器。该低能量高重复率的脉冲最好是一个第一电流和一个第二电流，与第一电流相关的电压大于与第二电流相关的电压，而第一电流小于第二电流。这里，第一电流和第二电流是可调的，使得燃料或空气/燃料混合物中的一种没有燃烧地分解。
电容器C1和C2的作用是提高由点火线圈提供的能量。电阻器R用于当等离子体312覆盖的距离近似等于电极长度的1/3时使放电电容器C1和C2的时间常数与放电间隙306中等离子体312的移动持续时间相匹配。电感器L可以用来使电容器C3和C4的放电时间常数与点火器300中等离子体312在等于电极长度(从绝缘体340的表面到电极端部)的距离上的移动持续时间相匹配。
电子计时器Tr1起始发动机控制器(未示出)，使得在低能放电时或之前从燃料喷射器喷射燃料燃料/空气混合物，以便为燃料或燃料/空气混合物到达绝缘体340的表面341或通常在309处示出的可能发生电击穿的放电起始区提供时间。燃料喷射的持续时间也由计时器Tr1控制，并等于或小于传送点火用电脉冲之前所有低能脉冲的大约总持续时间。
图4中示出最好能用于该系统的电路示意图。作为控制器500一部分的一个小电感大电容放电点火装置通过二极管D2连接在点火器的中心电极18上。外电极接地。通常提供约500V电压的电源向较大的电容器C4(最好C≈2-3μF)和较小的电容器C3(最好C≈0.2-0.3μF)充电。两个电容器可以通过电子开关和二极管D1连接到中心电极上。二极管D2防止电源电流到达点火装置，而二极管D1防止点火控制器的点火线圈的高压到达所有电容器C1、C2、C3、C4和电源。
或者是，二极管D1可以用电感器(L1)代替，而高压二极管D2可以用带有峰化电容器(未示出)的空气间隙代替。该空气间隙可以这样调整，使得峰化电容器能够充电到足够高的电压，以便在沿绝缘体340(如陶瓷)的表面在火花塞的电极之间击穿。
控制器的电路510可以以比普通点火电路高得多的重复率提供低能脉冲。最好是，电路510应当提供比TSI的点火电路(如2000年6月16日提出申请的题为“分层燃料混合物的点火系统”的美国专利5,704,321和6,131,542以及国际专利申请书PCT/US 00/16747中描述的；本文加以全部引用参考)要高至少10倍的重复率。
回到图4，一个电子开关(Sw)使电容器C3和C4与引向中心电极的电线断开，而只有在一定时间ti将电容器C3和C4连接到该电线上，以便在点火器300中产生一个功率更大的放电并点燃燃烧混合物(即操作模式II)。在模式I操作中，该开关是正常地断开的。该开关最好应当能够支持大到500-1000A的电流，并且最好是寿命周期约109而没有显著变坏，如一个等离子体开关或弧光放电充气管开关。
需要电脉冲来起始从燃料源600到燃料喷射器的燃料流并打开燃料喷射器的阀门(未示出)，燃料喷射器附接在点火器300上，如图4中示意表示的。这些电脉冲与控制器500的触发脉冲同步，控制器500起始点火器300的点火。同步以这样的方式提供，使得触发控制器500的电脉冲也能够触发用于燃料喷射器的电脉冲。控制器触发脉冲比燃料喷射器触发脉冲延迟时间τ，以便从燃料喷射器来的燃料或燃料/空气混合物在从控制器的高压线圈来的高压脉冲击穿之前到达靠近点火器300的绝缘体表面的区域。该延迟时间τ是对每个特定的燃料喷射器和点火系统的系统最佳性能设定的。该设定点可以通过电动发电机绘图或其它测试而同时测量特定发动机或车辆的操作状态来监控发动机性能而设定。
虽然参照一些实施例公开了本发明，但对上述一些实施例可以进行许多修改、替换和变更而不偏离在所附权利要求书中所限定的本发明的领域和范围。因此，本发明并不受上述实施例的限制，而包括由下述权利要求及其等同内容的文字所限定的全部范围。
权利要求
1.一种系统，包括一个邻近一燃烧区的点火器，该点火器包括一个与一第二导电表面间隔的第一导电表面，两表面之间形成一个与该燃烧区直接连通的放电间隙；一个向该间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物的燃料源；以及一个在第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲的控制器，该电脉冲分解通过该放电间隙的至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一部分。
2.权利要求1所述的系统，其特征在于，该燃烧区包括一个内燃机气缸。
3.权利要求1所述的系统，其特征在于，该分解通过该放电间隙的至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个电脉冲导致氢的产生。
4.权利要求1所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃可燃混合物的至少一个第二电脉冲。
5.权利要求4所述的系统，其特征在于，该至少一个第二电脉冲是由另一个点火器提供的。
6.权利要求1所述的系统，其特征在于，该点火器还包括一个外壳，该外壳有一个沿一纵轴线配置的表面、沿该纵轴线偏移的一个入口部分和一个出口部分；一个设置在该外壳中的口，该口与该放电间隙连通；一个至少部分配置在该外壳中的绝缘体，该绝缘体有至少一个向该外壳的表面暴露的表面，以便在该外壳的口和出口部分之间限定一个连通通道。
7.权利要求6所述的系统，其特征在于，该外壳还包括由至少一个高温高压密封件固定在一个第二部分上的第一部分。
8.权利要求6所述的系统，其特征在于，该系统还包括一个联接在该口上的燃料喷射器。
9.权利要求1所述的系统，其特征在于，该第一导电表面包括一根第一杆的至少一部分，而该第二导电表面包括一根第二杆的至少一部分。
10.权利要求9所述的系统，其特征在于，该第一导电表面包括一个第一圆筒的一个表面的一部分，而该第二导电表面包括一个第二圆筒的一个表面的一部分，该第二圆筒的直径大于第一圆筒的直径。
11.权利要求10所述的系统，其特征在于，该第一电极和第二电极是同轴的。
12.权利要求9所述的系统，其特征在于，该第一杆和第二杆中的至少一根包括多根杆。
13.权利要求1所述的系统，其特征在于，该点火器还包括一个有一至少部分地配置在放电间隙中的绝缘体的外壳，该绝缘体的至少一部分包括一种多孔材料，以允许与该放电间隙形成流体连通。
14.权利要求3所述的系统，其特征在于，该至少一个第一电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的一系列处在第一频率的电脉冲。
15.权利要求3所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括一个第一电流和一个第二电流，该第一电流的电压大于该第二电流的电压，而该第一电流小于该第二电流。
16.权利要求15所述的系统，其特征在于，该第一电流和第二电流是可调的，使得该至少一种燃料或空气/燃料混合物中的一种燃料或空气/燃料混合物没有燃烧地发生分解。
17.权利要求1所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲点燃该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
18.权利要求4所述的系统，其特征在于，该至少一个第二电脉冲包括一个比该至少一个电脉冲中的任何一个都要高的高能阀。
19.权利要求4所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括至少一个处在第一频率的第一电脉冲和至少一个处在比第一频率低的第二频率的第二电脉冲。
20.权利要求19所述的系统，其特征在于，该至少一个第二电脉冲是由一个电子开关提供的。
21.权利要求15所述的系统，其特征在于，该至少一个第一电脉冲是在第一时间间隔中提供的，而该至少一个第二电脉冲是在第二时间间隔中提供的，该第一时间间隔和第二时间间隔错开一个可调的时间间隔。
22.权利要求21所述的系统，其特征在于，该可调的时间间隔是由一计时器提供的。
23.权利要求20所述的系统，其特征在于，该至少一个第二电脉冲是在该可调的时间间隔后提供给配置在燃烧区中的另一个点火器的。
24.权利要求1所述的系统，其特征在于，该控制器的至少一个电脉冲还包括一个起始从燃料源到点火器的燃料流或空气/燃料混合物流的电脉冲；以及起始燃料喷入燃料区的电脉冲；以及一个起始点火器的点火以点燃燃烧区中的可燃混合物的电脉冲。
25.一种系统，包括一个邻近一燃烧区的点火器，该点火器包括一个与第二导电表面间隔的第一导电表面，两表面之间形成一个与该燃烧区直接连通的放电间隙；以及一个有一向该放电间隙暴露的表面的绝缘体，该一表面的至少一部分向该放电间隙暴露；一个向该放电间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物的燃料源；以及一个在该第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲的控制器。
26.权利要求25所述的系统，其特征在于，该放电间隙包括一个放电起始区，而该表面的至少一部分形成该放电起始区的一部分。
27.权利要求25所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解邻近放电间隙的至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲。
28.权利要求27所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括点燃一种可燃混合物的至少一个第二电脉冲。
29.权利要求25所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲点燃该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
30.权利要求25所述的系统，其特征在于，该第一导电表面有一第一长度；一个第二导电表面有一第二长度，第一和第二长度的较短者界定一个放电间隙长度，第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至3。
31.权利要求30所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃一种可燃混合物的至少一个第二电脉冲。
32.权利要求25所述的系统，其特征在于，该点火器还包括一个外壳，该外壳有一个沿一纵轴线配置的表面，沿该纵轴线偏移的一个入口部分和一个出口部分；一个设置在该外壳中的口，该口与该放电间隙连通；该绝缘体有至少一个向该外壳的表面暴露的表面，以便在该外壳的口和出口部分之间限定一个连通通道。
33.权利要求32所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃一种可燃混合物的至少一个第二电脉冲。
34.权利要求25所述的系统，其特征在于，该绝缘体包括一种多孔材料。
35.权利要求25所述的系统，其特征在于，该燃料区包括一个内燃机的气缸。
36.权利要求25所述的系统，其特征在于，该控制器还提供一个起始从燃料源到点火器的燃料流或空气/燃料混合物流的电脉冲；一个分解通过放电间隙的至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一部分的电脉冲；一个起始燃料注入燃烧区的电脉冲；以及一个起始点火器的点火以点燃燃烧区中的燃烧混合物的电脉冲。
37.一种系统，包括一个邻近一燃烧区的点火器，该点火器包括一个外罩；一个有一第一长度的第一导电表面；一个与该第一导电表面间隔以形成一放电间隙的第二导电表面，该第二导电表面有一第二长度，第一和第二长度的较短者界定一放电间隙长度，第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一放电间隙宽度，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至3；一个在操作中连接在点火器上以便向放电间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物的燃料源；以及一个在第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲的控制器。
38.权利要求37所述的系统，其特征在于，放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至2。
39.权利要求37所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃一种燃烧混合物的至少一个第二电脉冲。
40.权利要求39所述的系统，其特征在于，该产生分解作用的至少一个电脉冲包括用氢富集该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个电脉冲。
41.权利要求38所述的系统，其特征在于，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至1.5。
42.权利要求41所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃一种燃烧混合物的至少一个第二电脉冲。
43.权利要求42所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括用氢富集该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个电脉冲。
44.权利要求37所述的系统，其特征在于，该点火器还包括一个外壳，该外壳有一个表面、沿一根轴线偏移的一个入口部分和一个出口部分；一个配置在该外壳中的口，该口与放电间隙连通；一个绝缘体，有至少一个对该外壳的表面暴露的表面，以便在该外壳的口和出口部分之间限定一个连通通道。
45.权利要求44所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃一种燃烧混合物的至少一个第二电脉冲。
46.权利要求38所述的系统，还包括一个绝缘体，该绝缘体是一种多孔材料。
47.一种系统，包括一个联接于燃烧区的点火器，该点火器包括一个具有沿一中心纵轴线配置的第一部分和第二部分的外罩；一个沿该中心纵轴线延伸并有一邻近该外罩的第二部分的第一导电表面的电极；以及一个邻近该外罩的第二部分并与第一导电表面间隔而形成一放电间隙的第二导电表面；一个向放电间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物的燃料源；以及一个在第一导电表面和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲的控制器。
48.权利要求47所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲点燃该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
49.权利要求48所述的系统，其特征在于，该至少一个电脉冲包括分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物的至少一个第一电脉冲和点燃一种燃料混合物的至少一个第二电脉冲。
50.权利要求47所述的系统，其特征在于，该第一导电表面与该第二导电表面是同轴的。
51.权利要求47所述的系统，其特征在于，该控制器还提供一个起始从燃料源到点火器的燃料流或空气/燃料混合物流的电脉冲；一个起始燃料喷入燃烧区的电脉冲；以及一个起始点火器的点火以点燃燃烧区中的燃烧混合物的电脉冲。
52.一种点火器，包括一个有一第一部分和一第二部分的外罩；一个邻近该外罩的第二部分的第一导电表面；一个邻近该外罩的第二部分并与该第一导电表面间隔而形成一个放电间隙的第二导电表面，该放电间隙有一放电起始区；一个延伸在该第一部分和第二部分之间的流体通道，该流体通道与该放电间隙连通；以及一个有一向放电间隙暴露的表面的绝缘体。
53.权利要求52所述的点火器，其特征在于，该表面包括提供放电起始区的至少一部分的表面的至少一部分。
54.权利要求52所述的点火器，其特征在于，该第一导电表面有一第一长度，而该第二导电表面有一第二长度，第一长度和第二长度的较短者界定一个放电间隙长度，第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于约1至约3。
55.权利要求52所述的点火器，其特征在于，该外罩还包括一个有一表面的外壳，该外壳有一入口部分和一出口部分，该入口和出口部分沿一根轴线偏移；一个口配置在该外壳中，该口与该放电间隙连通；该绝缘体有一个向该外壳的表面暴露的表面，从而在该外壳的口和出口部分之间限定一个连通的通道。
56.权利要求55所述的点火器，其特征在于，该外壳还包括一个通过至少一个高温高压密封件固定到一个第二部分上的第一部分。
57.权利要求52所述的点火器，其特征在于，该第一导电表面包括一根第一杆的至少一部分，而该第二导电表面包括一根第二杆的至少一部分。
58.权利要求57所述的点火器，其特征在于，该第一杆和第二杆中的至少一根还包括多根杆。
59.权利要求55所述的点火器，其特征在于，该绝缘体包括一种多孔材料。
60.权利要求55所述的点火器，其特征在于，该绝缘体包括一种允许至少一种燃料或空气/燃料混合物向着放电间隙流动的多孔材料。
61.一种点火器，包括一个有一第一部分和一第二部分的外罩；一个邻近该外罩的第二部分的第一导电表面，该第一导电表面有一第一长度；一个与该第一导电表面间隔而形成一放电间隙的第二导电表面，该第二导电表面有一第二长度，该第一和第二长度的较短者界定一个放电间隙长度，该第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于约1至约3；以及一个流体通道延伸在该第一部分和第二部分之间，该流体通道与该放电间隙连通。
62.权利要求61所述的点火器，其特征在于，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至2。
63.权利要求61所述的点火器，其特征在于，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至1.5。
64.权利要求61所述的点火器，其特征在于，该放电间隙有一个放电起始区，并且还包括一个邻近该放电间隙配置的绝缘体，该绝缘体有一个向该放电间隙暴露的表面，并形成该放电起始区的至少一部分。
65.权利要求64所述的点火器，其特征在于，该绝缘体还包括一种多孔材料。
66.权利要求61所述的点火器，其特征在于，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比的最大值为约3。
67.权利要求61所述的点火器，其特征在于，该外罩还包括一个有一表面的外壳，该外壳有沿一轴线偏移的一个入口部分和一个出口部分；一个配置在该外壳中的口，该口与该放电间隙连通；以及一个至少部分配置在该放电间隙中的绝缘体，该绝缘体有至少一个向该外壳的表面暴露的表面，以便在该外壳的口和出口部分之间形成一个连通的通道。
68.一种点火器，包括一个具有沿一中心纵轴线配置的第一部分和第二部分的外罩；一个沿该中心纵轴线延伸并有一邻近该外壳的第二部分的第一表面的电极；一个邻近该外罩的第二部分并与该第一导电表面间隔而形成一放电间隙的第二导电表面；以及一个在该第一部分和第二部分之间延伸的流体通道，该流体通道与该纵轴线隔开并与该放电间隙连通。
69.权利要求68所述的点火器，其特征在于，该点火器还包括一个邻近放电间隙配置的绝缘体，该放电间隙有一个放电起始区，而该绝缘体的表面的至少一部分构成该放电起始区的至少一部分。
70.权利要求68所述的点火器，其特征在于，该第一导电表面有一第一长度，该第二导电表面有一第二长度，该第一和第二长度的较短者界定一个放电间隙长度，该第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于约1至约3。
71.权利要求70所述的点火器，其特征在于，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至2。
72.权利要求70所述的点火器，其特征在于，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至1.5。
73.一种分解供燃烧系统用的燃料的方法，该燃烧系统具有一个燃烧区、一个在操作中连续在该燃烧区上的燃料源、一个有一第一导电表面和一与其间隔而形成一放电间隙的第二导电表面的点火装置，该方法包括配置该点火装置使得该放电间隙与该燃烧区直接连通；以及通过该放电间隙分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
74.权利要求73所述的方法，其特征在于，该分解包括使该至少一种燃料或空气/燃料混合物氢化。
75.权利要求73所述的方法，其特征在于，该分解包括在该放电间隙内分解该至少一种燃料或空气/燃料混合物。
76.权利要求73所述的方法，其特征在于，该分解还包括提供一系列分解该燃料的处在第一频率的电脉冲。
77.权利要求73所述的方法，还包括用至少一个电脉冲起始一个从燃料源到该点火装置的燃料流；将至少一种燃料或空气/燃料混合物喷入该燃烧区；以及使该点火装置点火以点燃燃料或空气/燃料混合物中的至少一种。
78.一种在一燃料系统中点燃一燃烧混合物的方法，该燃烧系统具有一个燃烧区、一个在操作中连接到该燃烧区的燃料源、一个有一第一导表面和一与其间隔的第二导电表面的点火装置，该方法包括在该第一导电表面和第二导电表面之间通过一个处在第一电流的第一电压电脉冲，该第一导电表面有一第一长度，该第二导电表面有一第二长度，该第一和第二长度的较短者界定一个放电间隙长度，该第一导电表面和第二导电表面之间的最短距离界定一个放电间隙宽度，该放电间隙宽度对放电间隙长度之比大于1至3；以及在该放电间隙之间通过一个处在大于或等于该第一电流的第二电流而其电压小于或等于该第一电压的第二电脉冲。
全文摘要
公开了一种燃烧增强系统，该系统通过向一燃烧区提供富氢燃料并利用一个或多个点火器点燃该可燃的富氢燃料来增强燃烧。该点火器包括一个外罩，该外罩有一第一部分和一第二部分、一个第一导电表面和一与其间隔而形成一放电间隙的第二导电表面。该放电间隙有一放电起始区。一个流体通道延伸在该第一部分和第二部分之间，与该放电间隙连通。一个燃料源给间隙提供至少一种燃料或空气/燃料混合物。一个控制器在该第一和第二导电表面之间提供至少一个电脉冲，该电脉冲分解通过该放电间隙的至少一种燃料或空气/燃料混合物。也提供了一种分解供该系统用的燃料或空气/燃料混合物的方法。该方法包括配置该点火装置使放电间隙与该燃烧区直接连通，并通过该放电间隙分解至少一种燃料、空气/燃料或可燃燃料混合物。也提供了一种点火方法。该方法包括对第一和第二导电表面通过一个处在第一电流的第一电压电脉冲。
文档编号F02P9/00GK1444694SQ01813541
公开日2003年9月24日 申请日期2001年6月8日 优先权日2000年6月8日
发明者S·苏克维尔, A·P·苏克维尔 申请人:奈特公司