专利名称：内燃发动机中启动燃烧的方法及应用该方法的内燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机中启动燃烧的方法及应用该方法的内燃发动机。
背景技术：
内燃发动机中启动燃烧公知有各种方法。某些传统的方法在于，通过在其中产生 电火花(有控制地点火)，或通过局部富集混合物来引起发动机的充量压縮点火，而局部地 启动混合物的燃烧。混合物其余部分的燃烧然后通过火焰前缘的传播或通过火焰的扩散来 获得。 近来，研发的成果已经应用于均质充量压縮点火(HCCI)的燃烧，其在能量效率上 和环境保护上大有前途。 然而，尽管均质充量压縮点火如今可在很狭窄的发动机运行范围内实现，但却发
现其难于达到较宽的运行范围。均质充量压縮点火需要非常有技巧地管理起动和燃烧的进
展。因此本研究针对非常精细地管理混合物的热动力学状态(改变燃料、进气温度、废气再
循环的复杂管理)，或针对引入诸如可变压縮比或可变分配之类的复杂技术。 本发明寻求提供通过充量压縮点火来燃烧的方法，其容易调节并可在发动机宽的
运行范围内使用。以下文献FR 2 078 819、 EP 0 953 744、 US 4 282 845以及DE 39 03
474揭示了各种发动机，它们包括 參一可变体积的主腔室，可燃混合物被引入到其中；
參一辅助腔室，其通向主腔室；以及 參受控装置，其用来使辅助腔室与主腔室连通，或用来与主腔室隔绝。
发明目的 本发明的目的是提供一种在这样的发动机中启动燃烧的新颖方法，该方法实施简 单并能在宽的发动机运行范围内获得均质充量压縮点火。
发明内容
为了达到该目的，本发明提供一种在内燃发动机中启动燃烧的方法，该方法包 括 參可变体积的主腔室，可燃混合物被引入到主腔室中；
參辅助腔室，该辅助腔室通向主腔室；以及 參受控装置，该受控装置使辅助腔室与主腔室连通，或使辅助腔室与主腔室隔绝。
根据本发明，该方法包括如下步骤在包括压縮阶段和膨胀阶段之间的上死点的 时间段中，使辅助腔室与主腔室连通。 因此，使辅助腔室与主腔室连通使前一循环中储存的非常热的燃烧过的气体能被 释放到主腔室内，该气体热得足以使混合物被充分地加热以在多个部位处达到其压縮点 火。混合物因此以均匀的方式点火。然后，一旦混合物在上死点附近点火，混合物就燃烧并 产生达到高压和高温的燃烧过的气体。辅助腔室然后就在上死点后不久被关闭，以便保持截留一定量的非常热的燃烧过的气体，其在下一循环中将用来启动混合物的点火。 此外，以此方式储存的燃烧过的气体可能仍含有反应性物质，其也有助于启动主
腔室内混合物的燃烧。 通过合适地控制建立连通的受控装置，可通过调整引入主腔室内的热气体量和弓I 入时间来非常简单地控制该燃烧。因此该方法可在发动机宽的运行范围上实施。
在本发明的方法中，应该看到，特别是在燃烧发生的时刻，使辅助腔室与主腔室连 通。因此，储存在辅助腔室内的燃烧过的气体极其热，它保持在高压下，在任何情况下始终 高于主腔室内压力。因此该方法本质上不同于用于该类型发动机的控制阀在燃烧之后很久 才打开的已知方法。例如，在文献FR 2 078819中，在涵盖膨胀阶段和排气阶段之间的下死 点的时间间隔过程中，使辅助腔室与主腔室连通。燃烧过的气体那时已显著地冷却并处于 在高于大气压1至2巴量级的低压下。以此方式储存的燃烧过的气体在再次引入主腔室内 后时无法帮助混合物的压縮点火。在文献EP 0 953 744中，在进气阶段和压縮阶段之间的 下死点附近使辅助腔室与主腔室连通，以便注入储存在辅助腔室内的燃烧过的气体，该燃 烧过的气体是先前通过在膨胀阶段过程中，即在压縮和膨胀之间的上死点之后，使辅助腔 室与主腔室的连通而储存起来的。因此，该燃烧过的气体在因膨胀而已经显著地被冷却之 后才储存起来，在进气过程中其再次注入，因此是在由于混合物没有充分地压縮，该所以气 体无法启动混合物压縮点火的时刻再次注入的。 在文献US 4 282 845中，使辅助腔室第一次在压縮过程中与主腔室连通，第二次 在膨胀过程中辅助腔室与所述主腔室连通，特别地排除围绕这两个阶段之间的上死点的燃 烧阶段。同样地，在文献DE 39 03 474中，辅助腔室两次与主腔室连通，一次在膨胀过程 中，另一次在压縮过程中，在这两个阶段之间的上死点的两侧上。 与所有上述文献相比，本发明的方法在于，特别是在涵盖压縮和膨胀之间的上死 点的时间段内使辅助腔室与主腔室连通。 此外，在已知的再循环方法中，在膨胀循环过程期间排出燃烧过的气体，因此其温 度下跌到某一值，使得排出的气体不再有反应性，本身也没有热得足以在主腔室内引起混 合物的压縮点火。相反，该气体用来稀释混合物并降低其温度，以便减少氮氧化物的产生。
根据以下参照附图所作的描述可以更好地理解本发明，附图中
图1是显示主腔室的活塞发动机的部分剖视图； 图2是作为曲轴角函数的图1中所示发动机的各种腔室中的温度变化的曲线图； 以及 图3是作为曲轴角函数的图1中所示发动机的各种腔室中的压力变化的曲线图。
具体实施例方式
本发明的方法较佳地在图1所示发动机内实施。 以传统的方式那样，发动机包括气缸体1，其具有形成在其中的气缸2(仅示出一 个气缸)，这些气缸在其顶端处被气缸盖3关闭。每个气缸2具有一以密封方式在气缸内滑 动的活塞4。因此在各个气缸2内在气缸盖3和活塞4之间形成可变体积的主腔室5。
—排气阀7可滑动地安装在气缸盖3内，以便在一隔绝主腔室5和排气管8的关 闭位置和一使主腔室与排气管8连通的打开位置之间移动。同样地，尽管在图1中未予示 出，但一进气阀可滑动地安装在气缸盖3内，以便在一隔绝主腔室5和进气管的关闭位置和 一将主腔室5与进气管连通的打开位置之间移动。所有这些都是众所周知的，不形成本发 明的主题内容。 气缸盖3形成一辅助腔室IO，其就在主腔室5的附近延伸以通向其中。在此实例 中，辅助腔室在内部衬有一绝热体12。 一控制阀11可滑动地安装在气缸盖3内，以在一隔 绝主腔室5和辅助腔室10的关闭位置与一使主腔室5与辅助腔室10连通的打开位置之间 移动。在此实例中，控制阀ll由一机电致动器14致动。 一热线点火塞13安装在气缸盖3 内而突出到辅助腔室10内。控制阀11的致动器14和热线点火塞13由计算机15控制。
下面参照图2至3详细描述本发明的实施例。在这些图中，粗实线的曲线分别代 表主腔室5内的温度或压力；粗虚线的曲线分别代表辅助腔室10内的温度或压力。
所用的热循环是具有四冲程的循环，即进气、压縮、膨胀以及排气。沿横坐标绘出 的曲轴角用传统方式测量，360。角对应于压縮阶段和膨胀阶段之间的上死点。
该循环开始于进气阶段，在此过程中，空气和燃料混合物进入主腔室5内。此后， 在压縮阶段中，主腔室5内的压力和温度逐渐地增加，如实线曲线的起始部分所示。
正如下文中详细地描述的，较早燃烧产生的热气体通过保持关闭的控制阀11而 保持在辅助腔室10内。在虚线曲线的起始部分处，可见保持在辅助腔室10内的热气体的压 力和温度由于燃烧过的气体与气缸盖之间的热交换逐渐地降低。然而，覆盖辅助腔室io壁 的绝热体12限制了该热交换，因此，限制保持在辅助腔室内的热气体的压力和温度降低。
接近350曲轴角，即，在压縮结束时，控制阀ll打开。压力高于其主腔室5中存在 的压力的辅助腔室10内含有的热气体从辅助腔室IO逃逸而蔓延到主腔室内。
该搅动致使主腔室5内混合物被加热，这可从实线曲线中看出，这是因为热气体 的温度高于混合物的温度。接近355曲轴角，混合物被充分地加热而达到其压縮点火温度。 然后，混合物通过压縮点火而发生燃烧。由热气体与混合物搅动产生的许多压縮点火部位， 保证压縮点火是均匀的。在曲线上可从同时发生在主腔室5和辅助腔室10内的温度和压 力突然上升中看到压縮点火。 此后，活塞4通过上死点并开始再次向下回移。控制阀11接近370曲轴角时关闭。 因此，混合物压縮点火产生的燃烧过的气体的一部分被保持在辅助腔室10内，而构成在下 一循环中用来启动混合物压縮点火的热气体。封闭在辅助腔室10内的该部分燃烧过的气 体处于高压和高温中。仍留在主腔室5内的其余燃烧过的气体经受膨胀，于是，其温度和压 力远比仍保持在辅助腔室10内的那部分燃烧过的气体的温度和压力快地下降。
在启动发动机时，在其初始循环过程中，由于封闭在辅助腔室10内的气体不够 热，所以不会发生压縮点火。在图2和3中，虚线绘出没有发生压縮点火时主腔室5内的压 力和温度变化。为了使混合物点火，可利用热线点火塞13。 一旦发动机达到运行热状态，该 状态能通过与从辅助腔室释放出的热气体接触而造成混合物的压縮点火，热线点火塞就关 闭。 此后，在建立起来的热状态下的运行过程中，有利地选择发动机(尤其是其压縮 比)和反应混合物特性(进气压力、温度和组分)的调整，使得如果辅助腔室内的气体不引入主腔室内，则不会发生无控制的燃烧。 因此引入主腔室内的热气体有助于加热混合物，由此，能使混合物达到其压縮点 火温度，并还有助于稀释混合物，因此能通过引入可避免大体积燃烧的局部不均匀而使混 合物的燃烧速度得到控制。此外，稀释混合物能使其富集度降低，因此，在混合物燃烧过程 中避免产生氮氧化物。 应该看到的是，在本发明的特别的方面，控制阀具有相对于其它阀倒置的特殊特 征。如可从图1中清楚地所见，控制阀11的阀座16面向辅助腔室10的内部。因此控制阀 11向下移动而关闭抵靠其阀座，而其它阀则通过向上移动来关闭抵靠其阀座。当辅助腔室 10关闭时，本发明的方法由此导致辅助腔室10内压力始终高于其主腔室5中存在的压力。 控制阀11倒置构造因此使控制阀11能通过辅助腔室10中存在的高于主腔室5中存在的 压力的压力而被确保处于抵靠在其阀座16的关闭位置。 本发明不局限于以上的描述，恰好相反，本发明涵盖落入由权利要求书定义的范 围之内的任何变体。 尤其是，尽管文中陈述混合物在进气之前进行混合，但也可在压縮阶段的过程中 通过将燃料注入主腔室内而直接在主腔室内发生混合。 控制阀打开和关闭时的曲轴角本文中借助于指示方式给出。致使曲轴角变化当然 可是有利的，以便特别是考虑到发动机的转速和混合物的点火延迟。较佳地应作布置做成 保证在活塞基本上处于上死点时，较佳的是在上死点之后的几度出现压力峰值，例如，这可 通过在控制阀的打开瞬时和/或打开过程中动作来实现。辅助腔室与主腔室连通的时间段 较佳的是延伸在围绕压縮和膨胀之间的上死点的大致±30°范围上。 最后，尽管本发明的方法在一带有气缸盖的发动机中实施，该气缸盖形成辅助腔 室并携带带有倒置阀座的控制阀，但本发明方法也可在其它类型发动机中实施，诸如在两 冲程的发动机中实施。例如，其中储存热气体的腔室可以偏离布置，比如借助于喷射器将热 气体再次引入到主腔室内。
权利要求
一种在内燃发动机中启动燃烧的方法，所述方法包括●可变体积的主腔室(5)，可燃混合物被引入到所述主腔室中；●辅助腔室(10)，所述辅助腔室通向所述主腔室；以及●受控装置(11、14、15)，所述受控装置用于使所述辅助腔室与所述主腔室连通，或使所述辅助腔室与所述主腔室隔绝；所述方法的特征在于，所述方法包括如下步骤在包括压缩阶段和膨胀阶段之间的上死点的时间段中，控制所述受控装置以使所述辅助腔室与所述主腔室连通。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间段延伸在围绕所述上死点的±30°的范围上。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述辅助腔室(10)是绝热的，以限制封闭在所述辅助腔室内的所述燃烧过的气体的冷却。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，修改打开所述受控装置的瞬时和/或持续时间。
5. —种特别设计成实施如任何上述权利要求中所述方法的内燃发动机，所述内燃发动 机包括參可变体积的主腔室(5)，可燃混合物被引入到所述主腔室中； 參辅助腔室(IO)，所述辅助腔室通向所述主腔室；以及參受控装置(11、14、15)，所述受控装置用于使所述辅助腔室与所述主腔室连通，或使 所述辅助腔室与所述主腔室隔绝；所述内燃发动机的特征在于，所述受控装置包括控制阀(ll)，所述控制阀与面向所述 辅助腔室的阀座(16)协配，以使高于所述主腔室内的压力的所述辅助腔室内的压力确保 所述控制阀处于抵靠在其阀座上的其关闭位置。
全文摘要
本发明涉及一种在内燃发动机中启动燃烧的方法，其包括可变体积的主腔室(5)，可燃混合物被引入到主腔室中；辅助腔室(10)，该辅助腔室通向主腔室；以及受控装置(11、14、15)，该受控装置使辅助腔室与主腔室连通，或使辅助腔室与主腔室隔绝；其中，该方法包括如下步骤在包括压缩阶段和膨胀阶段之间的上死点的时间段中，控制受控装置以使辅助腔室与主腔室连通。本发明还提供一种特别适于实施本发明方法的发动机。
文档编号F02D21/08GK101715511SQ200880011214
公开日2010年5月26日 申请日期2008年4月7日 优先权日2007年4月10日
发明者P·古波特 申请人:皮埃尔和玛利居里大学;中央科学研究中心