用于内燃机的预燃室点火装置和方法与流程

本发明总体上涉及一种用于内燃机的预燃室点火装置，并且更具体地，涉及一种构造为在预燃室中产生并保持燃料和空气的装料旋流的预燃室点火装置。

背景技术：

包括汽油或天然气火花点火发动机、柴油压缩点火发动机、气体燃料发动机以及其它内燃机的内燃机通常通过在汽缸内产生受控燃烧反应来操作，汽缸驱动活塞以旋转曲轴。一个多世纪以来，这种基本技术已被用于使用传统燃料(如汽油或柴油)操作发动机。除其它外，排放问题、价格和供应问题导致人们对较不传统的燃料、特别是天然气的兴趣和利用。这些燃料通常以较高的化学计量空燃比或当量比小于1的所谓的“贫”燃料混合物使用。依赖于火花塞的传统燃烧发动机点火策略可能无法适当地点燃这些贫燃料混合物，这可能导致发动机爆震或其它问题。使用预燃室点火装置可以通过在将热燃烧气体射流输送至主燃烧室之前点燃预燃室中的贫燃料混合物的装料来解决这些问题，从而产生与其它技术相比的更热、更均匀且通常更稳健的燃烧反应。

单独使用预燃室点火装置不会使贫燃料混合物更易燃，然而，这意味着贫燃料混合物仍可能无法在预燃室本身中点燃。特别地，已经观察到，在火焰中心产生可以传播以引发空气和燃料装料的燃烧的稳定火焰之前，在预燃室中的火花间隙处形成的火焰中心可以被淬火或熄灭，导致所谓的“贫”失火。

已经进行了若干尝试以更可靠地在预燃室中引发贫燃料混合物的燃烧。在chiera等人的美国专利第8839762号中公开了一种这样的策略(“chiera”)。chiera公开了一种多室点火器，其显然构造为通过将新形成的火焰中心推入独立室来防止淬火，从而将火焰中心与预燃室中的气体隔离。虽然这种和其它策略可以在某些方面促进预燃室燃烧，但仍有很大的改进空间。

技术实现要素：

在一个方面，一种用于内燃机的预燃室点火装置包括预燃室主体，预燃室主体包括外表面和限定预燃室的内表面并且包括预燃室壁，预燃室主体具有构造为用于与火花电极组件耦合的近端，和远端，其中纵向轴线在近端和远端之间延伸。预燃室点火装置进一步包括多个端口，多个端口在远端处的预燃室主体中形成，并且每个端口具有在外表面中形成的外开口和在内表面中形成的内开口，多个外开口中的每一个沿周向从内开口的相应一个偏移，使得多个端口相对于预燃室壁定向，以引起空气和燃料的进料的旋流，并且预燃室壁围绕纵向轴线周向延伸并且在近端的方向上具有变窄的锥部。

在另一方面，一种用于内燃机的燃烧装料形成系统包括在发动机壳体中形成的燃烧室和预燃室点火装置，预燃室点火装置包括限定在预燃室主体的近端和远端之间延伸的纵向轴线的预燃室主体、在预燃室主体内形成的预燃室并且包括预燃室壁和火花电极组件。燃烧装料形成系统进一步包括在预燃室主体中形成并将燃烧室与预燃室流体连接的端口，端口在外开口和内开口之间延伸，并且内开口偏离外开口使得端口相对于预燃室壁定向以引起燃料和空气的进料的旋流，预燃室壁具有在火花电极组件的方向上变窄的锥部，并且火花电极组件具有带有用于点燃空气和燃料装料的预燃室壁的形成火花间隙的电极叉。

在又一方面，一种操作内燃机的方法包括响应于活塞在发动机循环的压缩冲程中的行进而使空气和燃料从燃烧室进入预燃室，使空气和燃料与预燃室壁接触以便引起空气和燃料的旋流，将空气和燃料向上输送到预燃室内的火花间隙，将空气和燃料输送到由预燃室壁形成的锥部中，使得空气和燃料的速度降低是有限的。方法进一步包括火花点火火花间隙处的空气和燃料以形成火焰中心，并通过空气和燃料使火焰中心从火花间隙转移，从而限制火焰中心的淬火。

附图说明

图1是根据一个实施例的具有预燃室点火装置的内燃机的示意图；

图2是根据一个实施例的预燃室点火装置的示意图；

图3是根据一个实施例的预燃室点火装置的另一个示意图；

图4是根据一个实施例的图3的预燃室点火装置的剖视图；

图5是根据一个实施例的预燃室点火装置的另一个示意图；

图6是与已知的预燃室点火装置中的流体的相对速度的相对比的本发明的预燃室点火装置中的流体的相对速度的示意图；以及

图7是与已知的预燃室点火装置中的流体的相对动能相对比的本发明的预燃室点火装置中的流体的相对动能的示意图。

具体实施方式

现在参照图1，示出了具有预燃室点火装置(“预燃室装置”)12的火花点火内燃机10的示意图。发动机10包括发动机壳体13，发动机壳体13具有发动机缸盖14和发动机缸体16。发动机缸盖14和发动机缸体16与活塞18一起形成燃烧室20，燃烧室20构造为通过进气流道或进气管道22接收空气并且还可能接收燃料。进气管道22可以与燃料供应管道23耦合，燃料供应管道23配置为通过燃料进入阀或燃料喷射器24向燃烧室20提供燃料，但是也可以考虑将燃料引入涡轮增压器(未示出)中的压缩机上游的实施例。进一步，燃料供应26与燃料喷射器24流体耦合。

预燃室装置12具有一个或多个端口28，并且可以通过发动机缸盖14支撑在发动机10内，使得端口28定位在燃烧室20内。发动机10可以是在气体燃料(例如天然气、丙烷、沼气、垃圾填埋气体或其它气体燃料)上操作的四冲程气体燃料发动机，但是本领域技术人员将认识到本发明不因此而受限并且可以在具有火花点火预燃室点火装置的任何发动机中实施。还可以以通常已知的方式提供用于燃料(未示出)的汽化和增压设备。发动机10也可以是双气体燃料和液体燃料发动机。活塞18可以设置在由发动机缸体16限定的汽缸30中，并且可以在上止点(tdc)位置和下止点(bdc)位置之间移动，以通过连杆34以一般传统方式旋转曲轴32。发动机10可以包括以任何合适的配置设置的任何数量的汽缸30和活塞18，例如“直列式”配置或“v”配置。

燃烧室20的容积可以随活塞18相对于发动机缸盖14的位置而改变，使得当活塞18位于bdc位置时燃烧室20的容积处于最大值，并且当时活塞18位于tdc位置时容积处于最小值。曲轴32的旋转使活塞18在进气冲程中从tdc位置朝向bdc位置移动，这允许空气和燃料从进气管道22引入燃烧室20。曲轴32的继续旋转然后使活塞18在压缩燃烧室20中的空气和燃料的压缩冲程中朝向tdc位置移动。在压缩冲程期间活塞18的向上行进还使得来自燃烧室20的空气和燃料经由端口28进入预燃室装置12。然后可以点燃预燃室装置12中的空气和燃料，燃烧气体通过端口28排放到燃烧室20，以点燃燃烧室20中的空气燃料混合物的主要装料，从而在膨胀冲程中驱动活塞18。当曲轴32再次使活塞18在排气冲程中从bdc位置朝向tdc位置移动时，燃烧后残留在燃烧室20中的残余气体然后可以通过排气管道36排出。

现在还参照图2，根据一个实施例示出了包括预燃室装置12的燃烧装料形成系统37的示意图。预燃室装置12包括附接至预燃室主体40的基部38，预燃室42在预燃室主体40内形成。预燃室主体40具有近端44和远端46，并且限定在近端44和远端46之间延伸的纵向轴线48。在大多数实施例中，纵向轴线48也可以是预燃室42的纵向中心轴线。预燃室主体40还包括外表面50和内表面52，内表面52具有带有锥部53的预燃室壁54。预燃室装置12可以进一步包括火花电极组件60，其中预燃室主体40的近端44构造成用于与火花电极组件60耦合。火花电极组件60可以包括一个或多个电极叉58，每个电极叉58具有尖端57，尖端57定位在预燃室壁54附近并且在锥部53内或附近的预燃室42内。在预燃室壁54和每个尖端57之间形成火花间隙，其中一个以61示出。火花电极组件60构造为用电源(未示出)激励以在火花间隙61处产生火花，火花间隙61在尖端57(一个或多个)和预燃室壁54之间形成电弧，用于点燃预燃室42中的空气和燃料的装料。下文中以单数形式表示的火花间隙61可以位于锥部53内或附近的轴向位置处。应当认识到，火花电极组件60可以通过将火花电极组件60插入近端44而组装在预燃室装置12中。通常期望避免在组装期间将电极尖端57接触到预燃室壁54，以例如避免部件变形的风险，并且因此一旦部件被组装就偏离指定的火花间隙距离。尖端57可以定位在距预燃室壁54的指定火花间隙距离处并且在锥部53内或锥部53附近。如本文进一步讨论的，通常期望定位尖端57，以便将火花间隙61定位在预燃室42内的燃料和空气的旋流中。

预燃室壁54围绕纵向轴线48周向延伸，锥部53在近端44和火花电极组件60的方向上变窄。锥部53可以在近端44和远端46之间延伸预燃室壁54的长度55的至少大部分，并且可以在底板56和火花间隙61之间延伸预燃室壁54的长度的至少大部分。锥部53可以是基本均匀的，因为预燃室壁54在制造公差内具有相对于预燃室42的底板56和火花间隙61之间的纵向轴线48的均匀倾斜度，使得预燃室42在截面平面59中限定直线，例如，如图2所示的纵向轴线48。换句话说，尽管有其中预燃室42具有不同的形状的实施例，例如具有曲线侧面的圆锥形状也是可以预期的，锥部53可以构造为使得预燃室壁54具有基本上正圆的圆锥形状，远端46处的预燃室42的直径大于近端44处的预燃室42的直径。在一些实施例中，锥部53可以构造为使得预燃室壁54以大于45°的角度与纵向轴线48成角度。预燃室壁54的倾斜度可以大于60°，通常大于75°，但是本发明不限于此。在一些其它实施例中，锥部53可以构造为使得底板56处的预燃室42的直径小于长度55。火花间隙61处的预燃室42的直径可以小于端口28处的直径两倍或更小。预燃室壁54可以在共同的周边处邻近并邻接底板56，并且预燃室42的形状可以是基本上截头圆锥形的。底板56可以具有连续的范围，使得底板56没有穿孔，整个端口28相对于纵向轴线48径向向外延伸穿过预燃室壁54，但是可以提供穿过底板56的一个或多个端口。

现在还参照图3，根据一个实施例示出了预燃室装置12的示意图，以示出端口28的形状和定向。端口28将燃烧室20与预燃室42流体耦合，使得燃烧室20和预燃室42流体连通，以允许空气和燃料从燃烧室20被推入预燃室42，并且由此由预燃室42中的空气和燃料的点火和燃烧产生的火焰喷射可以排放到燃烧室20中。现在还参照图4，根据一个实施例示出了图3的线4-4的剖视图，以进一步示出的端口28的结构和定向。预燃室装置12可以包括围绕预燃室42的圆周均匀间隔开的四个端口28，但也可以考虑具有不同数量或布置的端口28的实施例。每个端口28在外表面50和内表面52之间在预燃室主体40中形成，并且可以具有形成在外表面50中的外开口62和形成在内表面52中的内开口64。每个外开口62可以从相应内开口64沿周向偏移，以便在燃料和空气接触预燃室壁54时引起燃料和空气的进料的旋流。如图3中可以看出，每个内开口64也可以从相应外开口62轴向偏移，使得端口28可以相对于纵向轴线48倾斜。在其它实施例中，端口28的倾斜角度可以比图3中的端口28的倾斜角度更大或更小，或者端口28可以根本不倾斜，而是在垂直于纵向轴线48的水平面上在外表面50和内表面52之间延伸。端口28可以在外开口62和内开口64之间基本笔直，并且由预燃室主体40限定的每个端口28的内表面可以是基本上圆柱形的形状。端口28也可以与以纵向轴线48为中心的圆相切地定向，该布置可以容易地从图4中可视化。在一些实施例中，内开口64可以小于每个相应外开口62，使得每个端口28在内表面52的方向上变窄，以便增加进入预燃室42的空气和燃料的装料速度。在其它实施例中，端口28甚至可以在外开口62和内开口64之间弯曲，具有喇叭形状、不同的尺寸或定向或者它们之间的其它变型。还应该进一步认识到，除了本文所描述的实施例之外，可以改变预燃室42的内部几何形状以有助于以各种方式引起旋流或促进旋流或其它流动特性。

工业实用性

本发明适用于预燃室点火内燃机，其通常将气体燃料(例如天然气)与空气组合以形成相对贫燃料混合物。虽然贫燃料混合物可以具有某些优点，例如减少某些排放，但贫燃料混合物也可能引起点火挑战，因为点火火花的能量可能不足以可靠地点燃燃烧室中的贫燃料混合物。虽然预燃室点火在一定程度上解决了这些挑战，但是即使在预燃室内也难以点燃贫混合物，在最后一个发动机循环的预燃室中存在大部分惰性燃烧产物使问题复杂化。现在再次参照图1，当活塞18在进气冲程期间在汽缸30中朝向bdc位置移动时，来自进气管道22的燃料和/或空气可以被输送到燃烧室20中。一旦到达bdc位置，活塞18在压缩冲程期间开始朝向tdc位置移动，此时存在于燃烧室20中的燃料和空气在燃烧室20中混合并压缩。如本文所述，燃烧室20中的压缩还使来自燃烧室20的燃料和空气的装料通过端口28流入预燃室装置12，其中空气和燃料的装料可以与预燃室42中存在的残余燃烧气体混合。

现在还参照图2，进入预燃室42的空气和燃料的装料可以在接触预燃室壁54时被引起旋流，并且旋流燃料和空气可以从端口28朝向火花间隙61向上传送。发动机10可以包括发动机控制模块或其它合适的控制装置(未示出)，其构造为激励火花电极组件60以产生从尖端57延伸到预燃室壁54的高压电弧，用于点燃流过火花间隙61的空气和燃料的装料。装料的点燃导致在火花间隙61处产生火焰中心。然后火焰中心可以传播，最终形成稳定的火焰，其以燃烧和/或仍然燃烧的空气和燃料混合物的热射流的形式排放到燃烧室20。然而，在某些情况下，火焰中心可以在传播之前被淬火，从而终止燃烧，并且导致贫失火。

火焰中心可以以各种方式淬火。例如，火焰中心可以通过与预燃室中的表面或物体(例如预燃室壁54或尖端57)接触而淬火，其具有比火焰中心更低的温度，从而导致来自火焰中心的热能传递。已经观察到和/或理论化了预燃室中的湍流也可以淬火新生的火焰中心或通过其它方式促成淬火，特别是在贫燃料混合物中。在一些已知的系统中，火焰中心可以在形成之后保留在火花间隙中或接近火花间隙，这可以导致火焰中心与预燃室中的相对冷的表面(例如电极尖端)接触，或者引入到预燃室中的湍流。为了防止与湍流接触，一些其它已知系统显然构造成完全从预燃室中除去火焰中心。使这些问题复杂化的可能是在预燃室内和火花间隙本身存在残余燃烧产物。与这些和其它已知系统相反，燃烧装料形成系统37可以替代地构造为通过以一种方式转移新形成的火焰中心来促进稳定的火焰产生和火焰传播，该方式隔离火焰中心免受通过湍流的淬火和通过热传递的淬火。

现在还参照图5，示出了燃烧装料形成系统37的剖视图，其示出了预燃室42中的空气和燃料的流动路径100。如上所述，预燃室装置12可以构造为响应于发动机循环的压缩冲程期间活塞18的向上行进而允许来自燃烧室20的空气和燃料通过端口28。外开口62和内开口64的偏移定向构造为引导进入的燃料和空气的流动以引起旋流。在进入预燃室42时，空气和燃料与包括锥部53的预燃室壁54接触，使得通常在旋流区域102处沿着流动路径100行进的空气和燃料的螺旋旋流被保持。应当认识到，锥部53可以构造为在旋流空气和燃料中保持动量，因为空气和燃料被输送到锥部53中并且接触锥部53并且通过旋流区域102从端口28朝向火花间隙61行进。随着锥部53在近端44的方向上变窄，当空气和燃料沿着流动路径100朝向火花间隙61移动时，预燃室42的圆周减小。以这种方式，旋流空气和燃料的速度的降低受到限制，并且当空气和燃料朝向火花间隙61行进时，空气和燃料的速度可以保持或甚至增加，最终在火花间隙61处被点燃以形成火焰中心，火焰中心然后由旋流空气和燃料转移。旋流空气和燃料也可以在火花间隙61处转移残留燃烧产物。相反，许多已知的系统不构造成在空气和燃料朝向火花间隙行进时保持或增加速度，使得通常在火花间隙处减小速度并且火焰中心可以在形成之后保持在火花间隙中或接近火花间隙。

现在还参照图6，示出了可以在两种不同类型的预燃室中观察到的空气和燃料的相对速度的图示。图6的右半部分是可以在预燃室装置12中看到的流动的图示，并且图6的左半部分是可以在具有预燃室106的已知预燃室点火装置(下文中，“预燃室装置”)104中看到的流动的图示。用不同的截面显示了空气和燃料的固定混合物的不同速度。应当认识到，相对于彼此示出了不同的速度，并且不一定代表绝对值。例如，速度为3的空气和燃料不一定以速度为2的空气和燃料的1.5倍行进。在图6的右侧，可以看到空气和燃料在具有相对高速度的内开口64处进入预燃室42。由端口28引起并由锥部53保持的旋流运动导致旋流区域102中的空气和燃料与旋流区域102径向向内的预燃室42的区域相比保持相对高的速度。相反，如图6的左侧所示，进入预燃室106的预燃室壁110中的内开口108的空气和燃料最初具有相对高的速度，但是当空气和燃料朝向电极叉尖端112和预燃室壁110之间的火花间隙111移动时，空气和燃料的相对速度显着降低。

现在参照图5和图6，通常，如上所讨论，旋流空气和燃料可以在火花间隙61处火花点火以形成火焰中心。在预燃室42中，火焰中心可以通过旋流空气和燃料从火花间隙61转移，从而防止在稳定的火焰产生之前淬火火焰中心。由于旋流空气和燃料在火花间隙61处的速度相对较高，旋流空气和燃料可以使火焰中心沿圆周方向远离尖端57移动，和/或可以使火焰中心相对于纵向轴线48径向向内移动远离尖端57。这些现象中的任何一种都可以限制或防止到预燃室主体40和/或火花电极组件60的负热传递，从而防止淬火。此外，旋流空气和燃料可以转移预燃室42中的残余气体，残余气体保留在先前的燃烧中。这些残余气体通常几乎没有可燃烧燃料，这使得火焰中心传播变得困难，从而增加了在产生稳定火焰之前可以淬中心的机会。相反，火花间隙111处的空气和燃料的相对速度可能不足以转移火焰中心，这可以导致火焰中心保持靠近或接近尖端112和/或预燃室壁110。火花间隙111处的空气和燃料的相对低的速度也可能无法转移残余气体。

还应当认识到，通过在空气和燃料中促进一致的、相对高速的旋流运动，沿着流动路径100的空气和燃料的流动可以在旋流区域102和其它地方表现出较少的湍流。现在还参照图7，示出了预燃室装置12(右)和预燃室装置104(左)中的空气和燃料的混合物的相对动能测量的图示。空气和燃料的不同动能以不同的截面示出。应当认识到，不同的动能相对于彼此示出，并且不一定代表绝对值，类似于图6中所示的图示。应当认识到，在本文中，动能通常与湍流相关，因为具有相对高动能的空气和燃料也可以具有相对高的湍流。从图7中可以看出，在内开口64处进入预燃室42的空气和燃料具有相对高的湍流，但此后湍流减小并且在整个预燃室42中保持相对低(即，动能大约为1)。虽然预燃室106中的空气和燃料的相对湍流在通过内开口108进入后减小，但可以看出，与预燃室42中观察到的湍流相比，预燃室106中的湍流保持相对较高(即，2-3之间的动能)。如本文所讨论的，在火焰中心传播并产生稳定火焰之前将火焰中心暴露于湍流可以导致或有助于淬火。现在参照图5-7，通常可以看出，火花间隙61处的动能相对于火花间隙111处的动能较低。因此，在火花间隙111处形成的火焰中心可能在形成之后立即遇到湍流。相反，在火花间隙61处形成的火焰中心可以与湍流隔离和/或不暴露于湍流。

虽然一些已知的火焰中心传播策略涉及通过从预燃室除去火焰中心来将火焰中心与湍流隔离，但是这种策略通常不通过其它方式解决淬火，例如负热传递。然而，已经发现，由构造为在空气和燃料中产生螺旋旋流运动的预燃室点火装置(例如预燃室装置12)产生的具有相对高速度的空气和燃料的平稳流动不仅可以转移火焰中心以使它们从潜在的冷却表面移动，而且也可能限制暴露于湍流或以其它方式隔离火焰中心免受湍流影响，从而增加火焰中心稳定并允许更可靠地引发燃烧的机会。进一步预期可以产生速度的增加，或至少限制速度的减小，而不伴随湍流的增加。

本说明书仅用于示例目的，不应被解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的完整和合理范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。应当认识到，本发明的某些特征和/或特性，例如相对尺寸或角度，可能未按比例示出。如上所述，本文阐述的教导适用于各种不同的装置、组件和系统，其具有与本文具体描述的结构不同的各种结构。通过研究附图和所附权利要求，其它方面、特征和优点将是显而易见的。如本文所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“至少一个”互换使用。在仅有一个项目的情况下，则使用术语“一个”或类似的语言。此外，如本文所使用的，术语“包括”、“具有”、“包含”等旨在是开放式术语。