专利名称：在通向气缸的预燃室中形成燃料混合物及其点火的方法
技术领域：
本发明涉及预燃室，尤其涉及在端部开口通入最好为可替换的直到式内燃机的一个气缸或数个气缸中的预燃室。这些预燃室已由同一申请者在早先的一些申请中作了说明，其中，公开了为限定这些预燃室的工作，必须喷入以一预定浓度充满室内所含至少部分空气团所需的燃料。
由于将燃烧过的气体喷入未喷入燃料的气缸内所含的剩余空气中，故此混合物的燃燃发生在相当低的温度下并存在足够的空气余量(λ＝4-10)，从而保证在排气中将没有如CO和NOx之类污染成份。
即使业已表明此原理是可行的，但用样机进行的试验已显示有缺点，难以达到实际上为零的污染物及未燃烧产物的百分比。
这是由于，在预燃室中“最初”燃烧阶段后，在活塞相应行程而同步膨胀的作用下，在预燃室内所含大部分未燃烧剩余物冷却至低于它们的点火极限温度，没有任何力量可将它们喷入气缸，因此，最终没有机会进行表征提供以上承诺的上述此类发动机特点的“二次燃烧”。
换句话说，用普通的充满预燃室的方法，所达到的效果，就排气成份而言，比常规发动机要好，但实际上不能使不希望有的成份的总百分比达到零。
本发明的发明者已提出一种充满预燃室和使混合物点火的方法，避免了上述缺点，并保证排气中污染物的百分比实际上等于零。
事实上，本发明者已提出一种方法，其中，通过喷射液体或气体燃料，使混合物沿预燃室轴线形成可变浓度值的分层，使一部分空气容积包含在其中，基本不与燃料混合，并通过在活塞回程期间膨胀将预燃室中所含的燃烧过的气体在其温度降到低于它们的点火极限前推向气缸。
详细地说，本发明的主题包括一种方法，它保证按权利要求1前序部分有预定量燃料的混合，其特征由所述权利要求的特征部分给予说明。
现在，参考附图对所述方法作更详细的说明，其中
图1表示预燃室的纵剖面图，配有按本发明方法所获得的混合物浓度沿其轴线的曲线图(R＝浓度和Rst＝化学当量浓度)；
图2表示开口和图1所示预燃室的前视图，其上装有点火混合，这可使作为本发明主题的方法获得最优化的结果。
参考图1，燃料沿预燃室1轴线h-h，由喷射器2喷入，在图示的情况，预燃室为截头锥，并有一圆形通入气缸6的开口端1a，喷射器2由在喷射期间相对于预燃室中压力的一压力余量ΔP的作用下作动，并装在预燃室1的另一封闭端1c。
根据喷射器的形式，所述燃料形成一射流5，它也为锥形或受抑锥形。
为实现本发明的方法，必须这样地设计喷射器2的喷射器尺寸，并计算喷射压力余量ΔP，使在内燃机压缩半周期的终点阶段进行喷射，所形成的液滴(在液体燃料情况下)的大小，以及它们的动能和在预燃室1的横截面的分布都应保证射流5在其到达预燃室1开口的中心C的瞬间即刻前就完全蒸发，并保证燃料蒸气与预燃室中所含空气进行混合，从而使浓度等级从喷射点A向预燃室开口的所述中心C方向增加。
在燃料为气体(甲烷或类似气体)的情况，必须这样地进行上述计算和确定尺寸，以使喷射的气体5当其到达中心C时，用类似的方法与位于喷射器2下游的预燃室部分内所含空气进行混合。
因此，应当可用大致类似图1所示平行于预燃室1的曲线7的一条线代表上述浓度等级。
此方法确保在装有喷射器2的预燃室封闭端1c后面的预燃室中所含的空气预定容积V1具有很低的平均浓度值，其中有一部分基本不与燃料混合。
如果注意确保该容积值等于或最好大于预燃室总容积除以内燃机在某一周期达到的压缩比一预定值，那末，结果是该空气容积也在其中被由预燃室中燃烧产生的辐射首先加热，在发动机自身的膨胀阶段，膨胀到一特定范围，从而“冲洗”在此阶段存在的也被混合的燃烧过的气体，在它们被冷却前，部分地增加氧/CO+未燃烧产物之比，并将它们推入气缸，在气缸中，由于气缸本身存在的温度，燃烧过的气体本身可进行一预定持续时间的二次燃烧(例如，3-4毫秒)，与此同时，温度不应降到低于点火极限。
上述的“冲洗”同样也清除了可能残留在预燃室1壁面的任何未燃烧的HC；为更好地达到此目的，最好，这些壁面通过例如镀铬，抛光，或其它产生类似效果的工艺做成“光亮的”是适当的。
为了在所述的容积V1中得到即使燃料为气态时也相当低的平均浓度值，本发明者建议将喷射器可插入预燃室1一预定深度L，借此，限制喷射器上游的在喷射器外壁与接近于预燃室封闭端1c的预燃室1内表面3之间的所述容积V1。
另一个可能的改进是在必要时，例如用电阻10给所述容积V1内所含的空气提供给定数量的热量，以此方法促进与空气混合的稀混合物燃烧，从而膨胀。
在上述试验过程中，还注意到，如果在开口1a的中心C采用单个点火点，则会产生缺点，使某一百分比的尚未燃烧的混合物最初被排向气缸6，而那里的温度还略低于点火所需的温度。
这是由于最初的火焰球前锋作用的结果，当它自所述中心C径向膨胀时，火焰球前锋给预燃烧室中尚未燃烧的混合物施加压力，从而使它到达预燃室1的壁没有足够的速度，确保及时地分布于整个预燃室截面，以免排出未燃烧的产物。
因此，被活塞运动膨胀推动的一定百分比的未燃烧混合物在未燃尽的情况下到达气缸6，该未燃混合物不得不在气缸内发生的二次燃烧过程中借助于已燃烧的热气体进入预燃室1来燃烧。
这就免不了即使有限，实际上也增加排气中的未燃烧CO和HC的可能性。
为避免这缺点，该方法的发明者要求采用多个点火发生点8，它们配置在垂直于预燃室1轴线的平面内(见图2)，并与预燃室开口端1a相对应，最好通过上述中心C。
存在多个发火点会明显地缩焰燃锋形成的时间(n+毫秒)，使焰锋足够规则并大到足以覆盖预燃室1的整个截面，因此，以超压“封闭该截面”，并防止未燃烧混合物排出。
所建议的一种解决方案是(图2)来用一个带十字形排列的四个触点的电极，借此，用一个曲导电材料制成的臂9将所述电极装于预燃室1的开口部，臂9则与直流放电发电机的一个极相连。每个触点面向一个与另一极相连接的突出的端子8，图中仅表示其中之一(所需的绝缘零件未示出)。通过用线圈或电子装置的点火方法产生放电，从而产生四个同步发火点。显然，可具有多于四对的触点和端子，但本申请人已发现，满意的解决方案包括采用如上所述的仅四个发火点，它们沿与开口1a同心且直径d等于开口直径D之半的圆周β配置。
为确保方便地实施本发明的方法，本发明人还建议预燃室1的尺寸要这样设计，使其容积当活塞到达相应最大压缩的死点时，处在由气缸6中的发动机活塞留下的死区容积的1/5和1/2之间。
如此所得的总入(二总空气量/化学当量空气)处在20和8之间，发动机不需润滑也不需冷却的热力学循环的平均温度大约为300℃。
本发明人还预先提出在循环期间所喷入的燃料量将使其在预燃室1中燃烧产生的热可足以使在一个气缸或多个气缸6及预燃室1中所含的整个空气量的温度上升，足以保证在接给定的速度曲线点火后活塞回程和膨胀期间，经温度将保持高于燃料的点火温度一预定时间(例如，≥4～10毫秒)。
所述及和所示的实例并不想限制也不想约束根据所述权利要求书所规定的构思该方法的其它实施。此外，所指的指标值可根据需要的改变，例如，根据所用燃料的型式(汽油，酒精，柴油，煤气，等)而改变。如此完成的上述实现仍然落在由本专利申请给予的保护范围内。
最好，在按本发明的方法中，在活塞运行期间，压缩结束的时间与喷射结束的瞬间相一致，但与此状态稍有偏差并不代表重大的缺点。
同样，为了按众所周知的准则从热力学循环达到更好的效率，可以使点火瞬间稍微领先于活塞反向运动的瞬间。
认为提供适于完成上述方法的预燃室1的尺寸和相应容积V1的数值实例是有用的。
假设容积要与燃料混合的空气的预燃室的“激活”部分的容积为5立方厘米，燃烧期间的峰值绝对压力等于25巴，而气缸6中的温度保持在最小燃烧温度(大约400℃)以上在该峰值后7毫秒。如果已假设在预燃室中所含燃烧过的气体进行二次燃烧持续4毫秒，则问题是决定在达到不再发生燃烧的这一极限的瞬间前4毫秒时气缸中的压力。
假设，给定在上述情况下活塞膨胀的速度曲线，此压力为10巴，这意味着，为在适当时间确保所希望的冲洗，所述容积V1必需要在绝热膨胀1.9倍后占据整个预燃室(即“激活”部分加V1)。于是，发现下列公式是正确的预燃室的总容积＝“激活”容积+V1＝1.9V1
或V1+5cm3＝1.9V1，或V1＝5/0.9cm3＝5.6cm3如果在上述循环中压缩比9为8.5∶1，而且如果，如我们所知，预燃室的总容积(“激活”部分+V1)等于(5+5.6)＝10.6cm3，则可确立一系数ε，它等于预燃室总容积和p之比，在此情况下，ε＝10.6/8.6＝1.25。
正如我们所知，容积V1比上述ε值大4.5倍。
在上述最大值的粗略计算中。未考虑到由于最大压缩的死点与由燃烧形成的上述压力峰值之间压力增加而造成的容积V1受到的有限压缩。当进行最后的更精确计算时，必须考虑到这个事实，因此要加大容积V1。
还要完成上述对预燃室1的内部冲洗，本发明人建议寻求一种实施方法，其中在预燃室1开口1a附近正的点火后形成的火焰前峰基本上在整个燃烧持续时间保持在此位置，从而燃烧过的气体在燃烧期间立即自预燃室排出，与残留在气缸中的空气混合，而在如此占据的空间中的任何地点都不能达到供氮氧化反应的激活温度(大约1500K)。
为此，必须使预燃室1的大小和形状要设计成在预燃室中发生初级燃烧的时间间隔内，所含不与燃烧混合的空气的所述容积V1在活塞向外运动的作用下膨胀，直到基本上占据预燃室整个容积。
这意味着燃烧前锋相对预燃室以某一速度退却，此速度与燃烧前进的速度大小相等方向相反，结果，所述的前锋在整个初级燃烧持续时间实际上保持静止，处于相应于或接近于形成燃烧火焰前锋的点的位置(接近于电极8的区域)。
为达到这一目的，最好，例如预燃室1的总容积与所含不与燃料混合的空气的容积V1之比基本上等于在恒定容积中导致压力升高的压缩比，如果循环本身为奥托循环的话，则会发现在上述循环中这是由于燃烧作用而引起的。
因为发生上述的情况，当然，必须在任何循环中，初级燃烧的持续时间等于活塞完成上述膨胀所需的时间，因此喷射时间和压力参数可被调节，并且适当地确定活塞的质量和预燃室(也可为圆柱形)及其开口1a的尺寸大小；为了减少死区和增加初级燃烧期间已燃烧的气体的排出速度，也可限定所述开口作为限定预燃室的最终横截面，从而增加由这些气体产生的紊流。可通过增加产生发火触点的电极的尺寸来减小预燃室的上述最终排出横截面这样做(见例如图2中虚线)就减少了火焰的最大厚度，从而使其中的温度减低到希望的范围，并且还有一个通过辐射和对流吸收所形成的火焰的热上升“尖端”的热飞轮。
在有两个相互呈镜像配置并通入配置于它们之间的中心燃烧室的预燃室情况下，也呈镜像置对的两个预燃室的电极最好装成相互有预定范围的角“位移”，使它们围绕相应预燃室的纵轴旋转一特定角度。
这样做确保了当从它们的开口排出的火焰而在中心燃烧室相会时形成明显的漩涡(这情况未在图中示出)。
本发明需要的另一有利的改进包括在预燃室上装备当发动机工况改变时可改变容积V1的装置。这可利用已知的并例如在一些更新型发动机中用来改变空气进气量的技术来实现。
按这些方面处置即可确保更好地控制在任何工况下火焰前锋的定位。
权利要求
1.确保预定量液体或气体燃料与在一端(1a)开向往复式内燃机一个气缸或数个气缸(6)的预燃室(1)内所含空气混合，以及使如此所得的混合物点火的方法，使燃料自预燃室(1)封闭端(1c)由喷射器(2)轴向喷射，喷射器(2)在比预燃室本身中存在的压力大的压力余量(ΔP)的作用下作动，其特征是，所述燃料喷射在内燃机的压缩半周期间完成，为此，确保燃料输送的喷射器(2)和余量(ΔP)应设计得能确保在燃料射流达到预燃室所述开口端(1a)的瞬间完全蒸发及/或与预燃室(1)内所含空气混合，在射流直线运动期间，按该混合物浓度值(R)与上述空气混合，此值可由自喷射点(A)向预燃室(1)的所述开口端(1a)的中心(C)上升的一预定曲线(7)表示。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，位于预燃室(1)的封闭端(1a)附近的一限定量空气(V1)中混合物的平均浓度值为零或无论如何都比化学当量浓度(Rst)小一预定值。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，将喷射器(2)插入预燃室(1)一预定深度(L)，以便限定在其外表面和预燃室(1)内表面(3)之间所含空气的预定量(V1)，其中，混合物的浓度平均值为零或无论如何都比化学当量值小一预定值。
4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述的容积(V1)等于或大于预燃室(1)的容积除以内燃机的压缩比的容积值。
5.按权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，给在所述容积(V1)内所含空气输送预定值的热量。
6.按上述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，在内燃机活塞已达到最大压缩的死点时的瞬间进行点火。
7.按上述权利要求中之一所述的方法，其特征在于，通过产生设置在垂直于预燃室(1)轴线的平面(r)内并相应地配置于所述预燃室开口端(1a)的多个放电发火点进行点火。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，预燃室(1)的开口端(1a)是圆形的，并有四个发火点(8)，它们围绕与预燃室圆形开口端(1a)同心并具有等于预燃室直径(D)之半的直径(d)的圆周(β)配置。
9.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，预燃室(1)的总容积在相应于最大压缩时由内燃机活塞留下的死区容积的1/5和1/2之间。
10.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在每一循环期间所喷射的燃料量应使它在预燃室(1)中燃烧所产生的热量足以提高在一个气缸或多个气缸(6)及在预燃室(1)中所包含的整个容积空气的温度，从而确保在活塞按给定速度曲线进行返回和膨胀期间，该温度保持在燃料点火温度以上一预定时间。
11.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，预燃室(1)的内壁用镀铬，研磨或其它提供类似效果的方法做成“光亮的”。
12.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，预燃室(1)的尺寸要设计得，在其内进行燃烧的时间期间，所包含的空气容积(V1)在一个活塞或多个活塞的拉动作用下膨胀，最终基本上占据其整个容积并在整个燃烧持续期间使燃烧火焰前锋位置在预燃室(1)的开口(1a)附近保持静止。
13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，在其中混合浓度为零的所述容积(V1)在发动机工况变化时可被改变。
全文摘要
确保预定量液体或气体燃料与包含一端通向可替换内燃机气缸(6)的预燃室(1)内的空气混合,并使所述的混合物点火的方法,燃料由喷射器(2)自预燃室(1)的封闭端(1c)轴向喷射,喷射器(2)在比预燃室(1)本身存在的压力大一定压力余量(△P)的作用下工作,为此,喷射器(2)和余量(△P)应设计得能确保喷入的射流(5)在达到预燃室(1)所述开口端(1a)的瞬间完全蒸发及/或与预燃室(1)内所含空气混合,并且,在射流直线运动期间,按混合物浓度值(R)与上述空气混合,此值可由自喷射点(A)向预燃室(1)所述开口端(1a)的中心(C)上升的预定曲线(7)表示。
文档编号F02P13/00GK1244232SQ97181286
公开日2000年2月9日 申请日期1997年11月3日 优先权日1996年11月7日
发明者皮尔·安德烈亚·里加兹 申请人:皮尔·安德烈亚·里加兹