热分层再生式燃烧室以及用于对内燃发动机中的燃烧室和所形成发动机进行改进的方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及往复式活塞发动机的领域，更具体地涉及导致在现有往复式活塞内燃发动机(尤其是在稀燃条件下工作的发动机)中的改善的燃烧的燃烧室改进和充量点火改进。
【背景技术】
[0002]在将这种压缩机发动机转换成燃烧天然气燃料而不是燃烧液体燃料或蒸气之后，大的、固定的所谓“传统”天然气燃料燃烧、往复式活塞、组合式或整体式内燃发动机以及由这种发动机所驱动的压缩机已被用于经过分配管线栗送天然气达100多年。
[0003]这种燃烧发动机-压缩机的一些布置可以参见授予Mueller的专利US2，514，287、授予 Scheiterlein 的 US 2，917，226、和授予加热等人的 US 4，091，772 中。这种发动机的燃烧室布置的最近例子可以参见McClendon的正在审批的美国专利申请公开US2010/0319655。对传统发动机的其它描述可以参见由“发动机和能量转换试验室”资助的报告，其标题为“ERLE Cost Study of the Retrofit Legacy Pipeline Engines to Satisfy1/2 g/BHP-HR N0x”，修订版1，2009年5月21日，其涉及由发动机和能量转换试验室、国家天然气机械试验室(堪萨斯州立大学的研究所)、Advance Technology公司和Hoerbiger公司所完成的研究。
[0004]对传统Cooper-Bessemer型GMV整体式角度气体发动机_压缩机的进一步概述可参见由美国机械工程师学会历史和遗产委员会于2006年8月为俄亥俄州弗农山庄的诺克斯县历史博物馆而出版的“美国机械工程师学会的历史性机械工程里程碑”。描述这种发动机的另一个出版物可参见Bourn、Gingrich和Smith的“用于提升操作、可靠性和完整性的先进的压缩机发动机控制”，美国德克萨斯州圣安东尼奥市的美国西南研究院，美国能源部资助编号DE-FC26-03NT41859，美国西南研究愿项目编号03.10198，2004年3月。
[0005]上述类型的传统发动机工作良好并且继续应用直到现在。另一方面，它们仍然具有需做进一步研究和探索而克服的某些缺点。举出这种缺点的一些例子，发动机具有如下倾向:在冷时难以启动；在冷时运行不平稳，有机械应力施加在移动部件(诸如活塞和轴承)上并且有损坏火花点火器的提前点火事件；在燃烧循环的峰值点火压力的相对较高变动和峰值点火压力的正时变动情况下运行；排放过多的N0x、未燃烧烃类和过多的C0 ;以及由于施加在发动机运行状态上的折中因而在低于理论效率的效率下运行。
[0006]因此，往复式活塞内燃发动机领域的一篇概述展现了通过使用预燃烧室来启动火炬样的输出以导致稀燃燃料空气混合物的点火从而改进这种发动机的燃烧室中的稀燃的各种尝试。
[0007]因此，对于用于克服或避免所述缺点并且使发动机排放符合现代排放标准的这种发动机的改进的燃烧室设计存在着需求。然而，获得这种改进不必以昼夜不停工作的发动机的过长停机时间或者对发动机部件进行较大修改为代价，对发动机部件的较大修改将会需要代价高且长时间的测试和探索来证明其可行性并显示成功结果。这种发动机不再被制造，并且发动机的修理和大修经常要求制造部件来更换不再容易获得的磨损元件和部件。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种用于对内燃发动机主燃烧室中的燃烧和所形成发动机进行改进的方法。该发动机包括布置在头部与往复式活塞之间的主燃烧室。在头部与主燃烧室之间设置热保持元件。该热保持元件构造成减小从主燃烧室进入发动机头部的热传递。设置预燃烧室，其包括反应室。该反应室构造成具备空气/燃料的二次充量和第一火花点火器。反应室经由构造成将燃料径向物料从反应室排放入主燃烧室中的多个排放通道而与主燃烧室相连通。燃料径向物料是从二次充量中产生。热保持元件是联接到头部的自支撑结构。热保持元件包括面向头部部分，该面向头部部分的形状大体上对应于主燃烧室的面向头部的一部分。
[0009]此外，本发明提供一种用于改进往复式活塞内燃发动机燃烧室中的燃烧的方法。发动机包括布置在头部与往复式活塞之间的主燃烧室。该方法包括设置在头部与主燃烧室之间的热保持元件，该热保持元件构造成减少从主燃烧室进入发动机头部的热传递。热保持元件是联接到头部的自支撑结构。热保持元件包括面向头部部分，该部分的形状大体上对应于主燃烧室的面向头部的一部分。热保持元件被设置成使得在热保持元件的面向头部部分与主燃烧室的面向头部部分之间形成一个间隙。
[0010]本发明还提供一种热保持元件，该热保持元件构造成被安装在内燃发动机的头部与主燃烧室之间；发动机的燃烧室是在头部与往复式活塞之间。热保持元件构造成减少从主燃烧室进入发动机头部的热传递。热保持元件是联接到头部的自支撑结构，并且包括面向头部部分，该部分的形状大体上对应于主燃烧室的面向头部的一部分。热保持元件被设置成使得在热保持元件的面向头部部分与主燃烧室的面向头部部分之间形成间隙。
[0011]所公开概念的目的是提供一种用于如上所述地对传统发动机的主燃烧室进行重新设计的方案；该方案仅包括通过采用包括改变和添加发动机头部区中的部件的简单解决方案对发动机的头部和燃烧室在头部区中的部分进行修改，所述简单解决方案可避免上述缺点并且提高发动机的工作平顺性和效率。
[0012]本发明提出了用主燃烧室再生式热保持器元件或者用于目前使用于传统发动机和采用相同燃料和点火技术的类似发动机中所使用的内燃发动机头部中的燃气射流点火器装置的系统，来替换Goossak型径向预燃烧自由基产生的反应室和点火系统。
[0013]基于以下的描述和附图，用于改进往复式活塞内燃发动机的主燃烧室中的启动和操作性燃烧的方法的实施例以及所形成的改进发动机的实施例的许多其它优点、特征和功能将变得显而易见和更好地理解。以下的描述并非意图限制用于改进往复式活塞内燃发动机的主燃烧室中的启动和操作性燃烧的方法以及所形成改进发动机的实施例的范围，相反仅仅提供示例性实施例以便于理解。
[0014]本文中所描述实施例和实例的一个特征包括一种对具有例如主缸体和流体冷却头部的往复式活塞内燃发动机主燃烧室中的启动和操作性稀燃进行改进的方法，这种燃烧室是由在各发动机活塞上方的可变容积所限定，其中提供以下步骤:
(a)提供不同于位于发动机头部内部的发动机主缸体和头部的热保持元件，该热保持元件保持各燃烧循环的燃烧热以便将其传递至随后燃烧循环的充量；
(b)将热保持元件安装在头部中作为具有面向头部部分的自支撑结构，该面向头部部分具有大体上对应于由头部所限定的主燃烧室的部分的形状的形状，并且在发动机工作之前至少在面向头部部分与头部之间存在间隙，并且所布置的间隙的大小基于发动机启动之后热保持器的温度而改变，因此热传递元件与头部之间的热传递速率是作为发动机工作期间的间隙大小的函数而改变，以优化在压缩冲程的后阶段期间与热保持元件接触的燃料-空气层的温升。
[0015]通过利用在发动机工作期间位于头部内部的热保持器的自然热膨胀和收缩，而改变步骤(b)的间隙的大小。在发动机工作期间，可将该间隙减小到零，以便在发动机运行状态下有效地增加热保持器与头部之间的热传递，该热传递导致热保持器的高加热同时保持将热传递至与热保持元件接触的燃料-空气层的能力。
[0016]发动机头部和热保持器分别具有:头部和热保持器的热扩散率、头部和热保持器的热容量、及头部和热保持器的热传递系数。热保持器是由如下材料制成，该材料具有以下的至少一种:低于头部热扩散率的热保持器热扩散率、大于头部热容的热保持器热容、和低于头部热传递系数的热保持器热传递系数。适用于本公开的发动机可以是液体冷却、二冲程、直接喷射的天然气燃料稀燃发动机，该发动机在一个构造中优选地包括位于发动机头部处的预燃烧室，该预燃烧室具有一个空间，其中预燃烧室具备在预燃烧室空间内部的火花点火器并且接收用于发动机各燃烧循环的二次空气/燃料的充量。
[0017]目前的发动机中的预燃烧室和火炬点火器使用火花点火的预燃烧室，给该预燃烧室提供高体积的点火气体，以与主燃烧室燃烧循环定时的关系将该点火气体点燃从而产生热燃烧燃料的射流或“火炬”，该射流被喷射入主燃烧室，其中主充量已被允许点燃用于各燃烧事件的主充量。需要火炬点火器装置，这主要是由于主燃烧室中的稀燃条件和主燃烧室中的其它条件。
[0018]通过除去点火器的喷嘴端部并且用设置有多个排放孔的具有尖锐进入和离开边缘、限定的长度、和限定的孔尺寸的端盖来更换相同的Goossak型反应室并且结合使用规定的反应室容积与主燃烧室容积的比率、规定的反应室空气/燃料混合物、规定的主燃烧空气/燃料混合物、和规定的反应室与主燃烧室之间的压力差，而对目前的预燃烧室和气体火炬点火器进行改进。
[0019]任选地，主燃烧室中的火花点火器和辅助电加热器可用于对基本气缸头部的改进。
[0020]主燃烧室中的再生式热保持元件或系统可以是涂层、固体元件、或者仅位于燃烧室的改进的头部端部的其它装置，以及燃烧室与燃料喷射器之间的充分密封、反应室孔盖、与主燃烧室相连通的火花点火器和其它物件。假设头部11的材料具有规定的热扩散率、热容量和热传递系数，那么再生式热保持器20的材料将被选择成具有低于头部11的热扩散率(平方英尺/小时)、高于头部11的热容量CpXp (Btu/立方英尺F)和低于头部11的热传递系数k (Btu/hr ft.F)中的一个或多个。可将电加热装置埋入热保持器或发动机的头部中，用于给主燃烧室的重要区域加热。
[0021]所获得的是更加稳定和可靠的点火正时和充量点火、更稳定但更短的燃烧事件、较低的燃烧温度以及减少的NOx、改善的变异系数(C0V)(表示为各燃烧循环的燃烧事件之间的峰值点火压力(PFP)的标准偏差)、以及PFP的位置、较低的一氧化碳(C0)排放和改善的特定燃料消耗(SFC);以上所有均未牺牲功率，并且有可能提高功率。
[0022]根据本发明的一个示例性形态，提出了一种用于对水冷却、二冲程、直接燃料喷射、天然气燃料燃烧、往复式活塞内燃发动机的主燃烧室中的启动和操作性燃烧进行改进的方法；该内燃发动机通常包括: