将微波能引入内燃机燃烧室的方法和内燃机的制作方法
【专利摘要】将微波能引入往复式内燃机的燃烧室的方法，内燃机具有至少一个带有的汽缸盖的汽缸，在内燃机中，微波通过微波窗到达燃烧室，其特征在于，微波绕燃烧室的圆周传播，微波通过燃烧室壁的用作微波窗的至少部分径向注入燃烧室。在内燃机中，燃烧室包括燃烧室壁，燃烧室壁的至少部分用作微波窗，其中燃烧室壁被至少一个圆周环状中空导体腔包封，圆周环状中空导体腔具有至少一个用于微波的进给和至少一个用于微波的出口开口，出口开口设置为朝着燃烧室壁方向。本发明的方法和内燃机有利于精确控制燃烧室中的燃料空气混合物的点火的开始时间，以比常规的往复式活塞内燃机更高的效率，实现最优的弱发射燃烧。本发明提供了稀的燃料空气混合物的安全点火。
【专利说明】
将微波能引入内燃机燃烧室的方法和内燃机
技术领域
[0001] 本发明涉及将微波能引入包括至少一个具有汽缸盖的汽缸的往复式活塞内燃机 的燃烧室的方法，在内燃机中将微波引入燃烧室。本发明还涉及一种内燃机。
【背景技术】
[0002] DE 103 56 916A1公开了在内燃机燃烧室中生成空间点火，以更好地引燃和燃烧 所引入的燃料空气混合物。
[0003]在常规发动机中，可点燃混合物被压缩于锥形汽缸盖中，并由火花塞引燃以进行 反应和氧化。因此，化学氧化从点火位置以锥形蔓延成压力和反应前沿(层状燃烧气相）。压 力前沿移动得比反应前沿快，并因此首先到达汽缸边缘。压力前沿在汽缸边缘处被反射，并 朝反应前沿传播。当两个前沿会合时，该反应可能停止，这将会降低效率，并且会产生污染 物。
[0004]用通过微波进行的空间点火来代替局部点燃减轻了该效果。在点火前，应当尽可 能均匀地激活整个体积中的混合物，而这需要分布在燃烧室上方的吸收。因此，由材料参数 tanS(t)和相关的穿透深度描述的微波的吸收能力是重要的。
[0005] 在压缩期间，对待点燃的混合物的基于压力和温度的离子化已经正在进行。由于 特定燃料分子的该离子化，燃烧室中的可燃混合物对微波的吸收率必须是可预期的，该吸 收率在压缩过程中随着时间而变化。
[0006] 因为在实际应用中所描述的均匀性可能完全无法实现，所以反应前沿会从外侧以 向内的方向传播。因此，必须发现在圆柱形燃烧室中生成场分布的微波进给，其中该场分布 沿整个圆周均匀增大，并且尽可能沿半径均匀增大，或者优选地，沿较大的半径单调增大。 应当使场分布的均匀性与混合物的吸收性能尽可能地独立。
【发明内容】
[0007] 因此，本发明的一个目的是在整个燃烧腔中实现尽可能均匀地点火分配，或者至 少在燃烧室的边缘部分生成局部点火中心。
[0008] 根据本发明，通过权利要求1的方法和权利要求9的内燃机实现了上述目的。可以 由各从属权利要求衍生出另一些优选实施例。
[0009] 根据本发明的方法，微波绕燃烧室的圆周传播，并通过用作微波窗的燃烧室壁的 至少部分径向注入所述燃烧室。因此，燃烧室壁的至少部分，例如内燃机的汽缸，需由合适 的材料制成，以执行用于注入微波的微波窗功能。但考虑其强度和温度稳定性，该材料同时 也适合燃烧室。这可为例如陶瓷材料，优选具有>99%纯度的陶瓷材料，或可为另一种微波 可透过的固体材料。这样，微波可仅在一个平面中传播，或者也可以沿与燃烧室相反的方向 或相同的方向在不同平面中传播，并且可将它们通过燃烧室壁注入燃烧室中。然后，向燃烧 室的传导就可以执行成向被配置成固体并充当微波窗的燃烧室壁的传导。或者，还可将微 波的传导提供于燃烧室壁自身中，例如，在具有涂覆表面的陶瓷材料中在燃烧室一侧设置 开口，以使所述开口用作微波的出口开口。随后提及的该方法的燃烧室壁都指这两种变体。
[0010]优选地，将微波通过布置于燃烧腔圆周处的至少一个环状中空导体腔注入燃烧 室，其中所述中空导体腔包括至少一个朝向燃烧室的出口开口。因此，将微波引入环状中空 导体腔提供了最优的波传导，同时避免了模式跳跃和反射。其中，整个环状中空导体腔的横 截面可为矩形(特别是正方形）、圆形或椭圆形。为了防止所述环状中空导体腔中发生打火 (flash over )，所述横截面优选正方形。可将所述环状中空导体腔设置于所述燃烧腔壁的 旁边，或者如上文所述布置于燃烧腔壁中，以使通过所述环状中空导体腔中的至少一个出 口开口、以朝向所述燃烧室的方向径向离开的微波，能通过所述微波窗直接注入到所述燃 烧腔中。因此，所述至少一个出口开口可延伸至遍布所述燃烧腔的整个圆周，或者也可仅遍 及所述燃烧室的部分。
[0011]优选地，将微波在所述环状中空导体腔的端部处，以一定角度导入所述燃烧室，以 防止在所述环状导体腔的端部处的并已经传播至所述燃烧室附近的微波反射回微波源，或 者至少基本减少这些反射。
[0012]优选地，从所述环状中空导体腔引入微波，可以是通过所述环状中空导体腔与所 述燃烧室壁之间的一个圆周间隙引入，该间隙随所述中空导体腔中的微波路径长度而增 加;或者优选通过随所述环状中空导体腔中的微波路径长度增加的多个间隙引入，其中所 述间隙垂直于所述环状中空导体腔与所述燃烧室壁之间的微波传播方向布置。或者也可以 是通过上述组合引入。通过这些方式，可以在所述燃烧室中的大多数位置处浓缩充分量的 微波能，从而通过多个点火芯体在所述燃烧室中形成空间点火。
[0013 ] 优选地，将微波以2 5GHz至90GHz的频率引入，优选以36GHz引入。因为显而易见的 是，这些频率可以在所述燃烧室中形成所需的空间点火。
[0014] 进一步地，优选将所述微波引入到脉冲包中，其中，在已经进行了燃料空气混合物 的点火后，仍要维持所述脉冲包。由此，所述燃料空气混合物的点火被优化，并且所述燃料 空气混合物的燃烧被进一步激活，即使在已经进行了点燃以及燃烧室可能已经正在扩张后 亦如此。
[0015] 所述方法的一个特别优点是，根据曲轴角度函数引入微波，从而可进行精确的点 火控制。
[0016] 根据本发明，内燃机具有至少一个带有汽缸盖的汽缸，在汽缸盖中微波能通过微 波窗引入至燃烧室。在该内燃机中，所述燃烧室包括至少一个燃烧室壁，其部分地充当微波 窗。其中，所述燃烧室壁由至少一个圆周环状中空导体腔包封，所述圆周环状中空导体腔具 有至少一个用于微波的进给和至少一个朝着所述燃烧室壁的方向设置的用于微波的出口 开口。因此，所述燃烧室壁可由陶瓷材料或另一种合适的材料制成，并且可作为插件引入所 述汽缸内。
[0017] 优选地，为了避免所述环状导体腔的端部处的反射，在环状导体腔的端部处设置 有一个壁，该壁的位置设置为相对于所述环状中空导体腔和朝着所述燃烧室壁的方向的出 口开口成一角度。
[0018] 所述内燃机优选为包括一个圆周间隙，该间隙在所述环状中空导体腔与所述燃烧 室壁之间，其中所述间隙随微波在所述环状中空导体腔中的路径长度增大。或者所述内燃 机包括多个间隙，所述间隙优选随微波在所述环状中空导体腔中的路径长度增大，并且该 间隙设置为垂直于微波在所述环状中空导体腔与所述燃烧室壁之间的传播方向。或者为上 述方式的组合。
[0019] 优选地，还可提供邻接所述第一环状中空导体腔的附加的中空导体腔该附加中空 导体腔优选与第一环状中空导体腔相同。其中，所述附加环状中空导体腔，例如设置为具有 出口开口，该出口开口相对于所述第一环状中空导体腔的出口开口偏移，并且其包括与所 述第一环状中空导体腔的进给相对布置的进给。此外，可在所述燃烧腔中，特别是所述汽缸 盖中，提供用于局域场增加以及点火芯体生成的电极。根据需求，也可按照共有的专利申请 EP 15 15 72 98.2在所述汽缸盖中设置至少一个附加微波火花塞。
[0020] 注入的数学描述是基于柱坐标系r、Φ、z的。在由导电的边界限定的圆柱形空间 中，电磁波沿圆周的分布由正弦函数或余弦函数定义，以及由沿半径的柱坐标函数也称为 贝塞尔函数定义。根据场线的朝向，相关的本征模式被称为T Emn模式、T模式或Mmn模式。因 此，第一个指针m对应于方位最大值的数目，第二指数η对应径向最大值的数目。方位指针高 并且径向指针低的模式被称为回音壁模式(Whispering Gallery M〇des，WGM)。它们的能量 基本在中空汽缸的边缘处振动。随着径向指针的增大，振动中的能量会移动至燃烧室的内 部。
[0021] 两种模式在方位上偏移了3i/(2m)并且是时基的，但是在其他方面相同，这两种模 式的叠加引出了旋转模式。这是在文献中是公知的。在数学上，方位固定的模式由两个相反 的旋转模式使用以下方程表示：
[0022]
[0023]在m = 0的情况下，存在方位恒定的分布。
[0024] 在径向方向应用相似的方程式。描述径向驻波的贝塞尔函数可分解成向内和向外 传播的汉克尔函数：
[0025] 2Jm(krr) =Hm2(krr)+Hml (krr)
[0026] 其中kr是径向波数。与
[0027]
[0028] 成比例的场分布描述了能量以螺旋状向内传播的模式。相关的锋面随着半径减小 而变得越来越陡峭。
[0029] 根据本发明，因为在所述燃烧腔中会以可控的方式或者激活旋转回音壁模式或者 激活体积模式，因而选择性地在汽缸的外部或在整个体积中实现沿所述圆周的具有最大均 匀性的点火。因此，可绕所述燃烧室设置一个进给波导体，优选为环状中空导体腔形式的矩 形波导体。理论上已知，各模式的中空导体波长的可通过横向几何尺寸来改变。因此，在一 些实施方式中，进给波导体和圆柱形燃烧腔通过穿透燃烧腔壁的周期性开口彼此连接，该 燃烧腔壁充当将能量从波导体注入燃烧腔中的微波窗。现在，将开口的周期P选择成使
[0030]
[0031]其中h是弯曲波导体中的模式的轴波数，其以受控的方式在燃烧室中激发TEOn模 式。在理想情况下，该模式将具有圆形向内传播的具有恒定振幅的锋面。能量的进给直接到 达相对的壁，并且可能已经在该位置被注入回弯曲的进给波导体。因此，燃烧腔中的覆盖的 路径长度与燃烧腔的直径对应。在将被引燃的混合物吸收不良的情况下，相当大部分的能 量被注入回进给波导体，并反射至微波源。
[0032] 因此，根据本发明的一个替选方案，选择的开口周期可以稍微不同。由此，锋面是 倾斜的。能量以螺旋状传播至燃烧腔中，这使高路径长度变得容易，因而能促进高度独立 于tanS的微波能量的吸收。开口的宽度是不等的，以使注入燃烧室的能量沿圆周恒定。
[0033] 如上文所述，具有恒定相位的表面相对于半径倾斜越多，半径变得越小。存在能量 仅朝方位角方向传播的半径。这导致燃烧室内部中有一部分没有场。当燃烧室中央中的燃 料浓度低时，这是有利的。激发出的模式与已经描述的回音壁模式相当。当弯曲的波导体中 的波长相对于通畅空间波长缩短时，这种连结以特别高效的方式得以实现。因此，可以在所 述波导体中填充一种非吸收性的介电材料。
[0034] 由于选定了注入周期以使既注入至体积模式中也注入至WGM中，因而可在边缘处 得到强的场增加物，同时在中央得到相对较弱的场激发。这会在边缘部分产生场增加物。
[0035] 燃烧腔边缘处的场的激发还可为时基控制的。首先，选择频率，在该频率处由进给 波导体向体积模式进行注入，以激发整个燃烧室。然后可以改变频率，以向着火的WGM进行 注入。
[0036] 在弯曲的波导体的端部，可设置一倾斜45°角并且旋转偏振的板。微波能量到达弯 曲导体的端部后，在旋转的偏振中被反射。以90°旋转的偏振注入燃烧腔的能量并不干扰随 后以向前的方向注入的能量。
[0037]在一些应用中，可能需要在汽缸盖的斜面处局部增加点火装置。通过电磁波理论 已知，局部场增加物优选发生于导电点处。当将这些导电点设置在发动机(汽缸盖）的不同 位置时，就可以由此得到局部场增加物和局部场点火装置。
[0038] 因此，通过本发明的方法和内燃机，方便对燃烧室中的燃料空气混合物的空间点 火的开始时间进行精确控制，从而，相比传统的往复式活塞内燃机，能够以更高的效率实现 燃料的最优低发射燃烧。通常而言，本发明有利于安全点燃稀的燃料空气混合物，不需要通 过进一步浓缩来实现点火，并且燃料消耗更低。排放物和它们的生成也可通过燃烧温度以 及空气与燃料的混合比率来控制。与传统的点火装置相比，本发明的点火方式下燃烧发生 的更快。这导致"较冷的"燃烧，从而提高效率。进一步地，事实上，通过较冷的燃烧过程能够 实现更低的污染物排放。较冷的燃烧降低了废气中的N0浓度。通过空间点火，与常规燃烧不 同，该燃烧过程对扩散火焰形式的燃烧进程的依赖要少得多。这有助于避免额外的热损失， 并且实现了效率提高。没有为且该类型的燃烧并不提供燃烧室以及空气在氧化部分中的加 热阶段。
【附图说明】
[0039] 以下可参照示意性的附图对本发明进行更详细的描述。结合专利权利要求书以及 附图的以下描述可得到本发明的其他特征，其中：
[0040] 图1在没有汽缸盖的往复式活塞的细节的顶视图（图1A)示意图和具有汽缸盖的沿 图la的A-A线的截面图（图1B)中，描述了一个具有环状注射的实施方案，其中，朝燃烧室的 间隙具有遍及圆周的恒定宽度；
[0041] 图2在没有汽缸盖的顶视图（图2A)示意图、具有汽缸盖的沿图2A的A-A线的截面图 (图2B)以及沿图2B的B B线的截面图（图2C)中描述了一种表现形式与图1相似的环注射，间 隙随环状路径的长度而增加；
[0042] 图3根据图2在没有汽缸盖的顶视图（图3A)示意图、具有汽缸盖的沿图2A的A-A线 的截面图（图3B)以及沿图3B的B B线的截面图（图3C)中描述了具有彼此偏移的单个的杠的 环状注射。
【具体实施方式】
[0043] 在以下附图描述中，将基于多种实施方式以示例性的方式对本发明进行阐述。单 个图中相同或相似的元件设置有相同的附图标记。
[0044] 附图示意性地显示了具有汽缸盖2和引擎段3的内燃机1的细节。引擎段3包括具有 可在其中移动的活塞5的汽缸4以及部分设置于汽缸4上方的汽缸盖2中的燃烧室6。示意性 地显示了用于燃料空气混合物的入口 7，该入口 7导向燃烧室6。未示出用于废气的出口，因 为该出口可以以本领域技术人员公知的方式来配置。示意性表示的具有用于燃料空气混合 物的中央入口7的汽缸盖2当然还可具有附加火花塞或用于废气的出口。该火花塞可以是在 共同拥有的申请EP 15 157 298.9中描述的特别配置的微波火花塞。在汽缸4中提供了附加 内壁8。该附加内壁用适于微波窗功能的材料制成。适于微波窗的材料可为例如陶瓷材料 (优选具有高纯度的陶瓷材料）、蓝宝石玻璃或另一种合适的材料。
[0045] 在图1A中，环状中空导体腔9在引擎段3中绕内壁8延伸，其中环状中空导体腔包括 具有遍及整个圆周的相同高度的朝向内壁8的环状腔壁12,使得形成间隙11。通过间隙11， 微波进给10供应的微波穿过用作微波窗的内壁8到达燃烧室6。如上文所述，将微波注入燃 烧室6可生成用于空间点燃通过入口 7引入燃烧室6的燃料空气混合物的点火中心。图1A和 1B描述了各组件的布置。在根据图1A的实施方案中，微波进给10被描述成切向的进给，其中 还可径向或以中间角来提供该进给。
[0046] 图2描述了相似的实施方案，其中环状腔壁12的高度随着沿内壁8的路径长度降 低，并因此而形成尺寸变得越来越大的间隙12。如从图2A显而易见的，环状腔壁12在到达面 墙14之前就终止了，由此就可以得到一个遍及环状中空导体腔9的整个高度的开口 13。该 实施方案中的微波进给10被选择成形成面墙14,其具有这样的结果，通过环状中空导体腔9 反射回来的微波尽可能地减少，而这样以来，它们反而是以一角度被引入燃烧室6中。图2C 以不同的角度描述了上文所述的事实。
[0047] 图3描述了一个实施方案，在该实施方案中，微波进给相应设置为切向的，并且环 状中空导体腔9是如图1的实施方案中那样连续的，不像根据图2的实施方案那样有中断。在 该实施方案中，环状腔壁12由一个个的偏移的杠15组成，这样，通过微波进给10引入的微波 就可以通过杠15之间的中间空间16通过充当微波窗的内壁8，到达燃烧室6。在该实施方案 中，杠15具有相同的宽度和高度，并且各个杠之间的中间空间16的尺寸是相同的。杠15的高 度和宽度以及中间空间16的宽度可根据应用而改变。
[0048] 在所描述的实施方案中，环状中空导体腔9绕着汽缸4布置于引擎段3中。在增高的 汽缸盖2中配置环状中空导体腔9也是可行的。
[0049] 引擎段由常用的材料制成，通常是金属，其中可根据应用来选择材料。图示的中空 导体腔中的针对微波的边界当然是由金属制成，其中可采取额外的处理来优化导电性，例 如用高导电材料进行表面涂层。
【主权项】
1. 一种将微波能引入内燃机的燃烧室的方法，所述内燃机为往复式内燃机，具有至少 一个带有的汽缸盖(2)的汽缸(4 )，在所述内燃机中，微波通过微波窗到达所述燃烧室(6)， 其特征在于，所述微波绕所述燃烧室的圆周传播，所述微波通过燃烧室壁(8)的充当微波窗 的至少部分径向注入所述燃烧室(6)。2. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，微波通过至少一个环状中空导体腔(9)注 入所述燃烧室(6)，所述至少一个环状中空导体腔(9)设置于所述燃烧室(6)的圆周处且包 括至少一个出口开口（ 11、13、16)，所述出口开口设置为朝着所述燃烧室(6)的方向。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微波在所述环状中空导体腔(9)的端 部(14)以一角度注入至所述燃烧室(6)。4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述微波从所述环状中空导体腔(9)注 入，是通过在所述环状中空导体腔(9)与所述燃烧室壁(8)之间延伸的圆周间隙（11)注入， 或是通过所述环状中空导体腔（9与所述燃烧室壁（8)之间的尺寸随所述环状中空导体腔 (9)中的所述微波的路径长度增大的圆周间隙注入，或是通过尺寸随所述环状中空导体腔 (9)中的所述微波的路径长度增大、并且垂直于所述微波在所述环状中空导体腔(9)与所述 燃烧室壁(8)之间的传播方向设置的多个间隙注入，或是通过其组合注入。5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微波以25GHz至90GHz的 频率注入，有利地以36GHz的频率注入。6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微波被引入至脉冲包中， 其中，在已经对燃料空气混合物进行了点火后，仍保持所述脉冲包。7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据曲轴的角位置函数注入 所述微波。8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过环状导体腔(9)将所述微 波注入至具有至少一个汽缸(23)的往复式活塞内燃机（1)，所述汽缸带有汽缸盖(2)，所述 环状导体腔(9)绕所述燃烧室(6)设置在所述汽缸盖(2)中。9. 一种内燃机（1)，具有至少一个汽缸(4)和活塞(5)，所述汽缸(4)带有汽缸盖(2)，在 所述内燃机中，微波通过微波窗注入燃烧室(6)，其特征在于，所述燃烧室(6)包括至少部分 用作微波窗的燃烧室壁(8)，其中所述燃烧室壁被至少一个圆周环状中空导体腔(9)包封， 所述圆周环状中空导体腔(9)具有至少一个用于所述微波的进给（10)和至少一个用于所述 微波的出口开口（11、13、16)，所述出口开口（11、13、16)设置为朝着所述燃烧室壁(8)的方 向。10. 根据权利要求9所述的内燃机（1)，其特征在于，所述环状中空导体腔(9)的端部设 置有壁(14)和出口开口（10)，所述壁(14)相对于所述环状中空导体腔(9)呈一角度定向，所 述出口开口（ 1 〇)朝着所述燃烧室壁(8)的方向。11. 根据权利要求9或10所述的内燃机（1)，其特征在于，在所述环状中空导体腔(9)与 所述燃烧室壁(8)之间延伸有一个圆周间隙（11);或者在所述环状中空导体腔(9与所述燃 烧室壁(8)之间的延伸有一个圆周间隙，所述圆周间隙的尺寸随所述环状中空导体腔(9)中 的所述微波的路径长度而增大;或者有多个尺寸随所述环状中空导体腔(9)中的所述微波 的路径长度增大的间隙，所述多个间隙垂直于所述微波在所述环状中空导体腔(9)与所述 燃烧室壁(8)之间的传播方向；或者以其组合的方式注入。
【文档编号】F02P23/04GK105937473SQ201610121410
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】阿名·格莱茨, 沃尔克·格莱茨
【申请人】Mwi微波燃器股份公司