专利名称：具有点火帮助装置的直喷式气体燃料发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有点火帮助装置的直喷式气体燃料发动机。尤其地，该点火帮助装置包括白炽点火器，该点火器与公知为罩的套相结合，被设置在点火器的周围上，且优选的催化剂成分设置在所述套和/或点火器上。
背景技术：
白炽点火器如预热塞通常用在内燃机中来帮助进行冷起动的狄塞尔循环发动机。狄塞尔循环发动机如此设计，以致在发动机预热之后，发动机燃烧室内的一些工况适合自动点燃柴油，而不再需要预热塞来帮助点燃燃料。
为了减少发动机排放，因此研究出比柴油燃烧得更加清洁的燃料。例如，气态燃料如甲烷、天然气、丙烷和氢气可以在内燃机内进行全部燃烧，该内燃机以狄塞尔循环进行工作，从而与供给传统柴油作为燃料的相同发动机相比，所产生的氮氧化物(NOx)排放和颗粒物质(PM)更少。把这种气态燃料直接喷射到以狄塞尔循环进行工作的发动机的燃烧室中的其它优点是，保持了与狄塞尔循环相关的效率和功率特性。
但是，这种气态燃料不能如柴油那样容易地自动点燃。因此，为了把传统的柴油机转换成使用气态燃料来进行工作，因此在正常情况下需要帮助点燃的装置。点燃这种气态燃料的方法是采用装置来帮助点燃。例如，名称为“带有热阻挡涂层和点火催化剂的预热塞(Glow Plug Shield With ThermalBarrier Coating And Ignition Catalyst)”的美国专利No.6076493(493号专利)公开了一种装置，该装置使用预热塞和罩装置来帮助点燃与柴油相比具有更高自动点燃温度的燃料。该493号专利涉及一种预热塞和罩的结合体，该罩具有由热障材料形成的涂层。493号专利公开了使用催化剂的愿望，但是没有公开任何特殊燃料或者任何特殊催化剂成分，根据本申请人的知识，对气态燃料进行点火帮助的方法还没有商业化。
尽管具有许多元素被公知为用作催化剂，但是不是所有的催化剂也可以帮助点燃气态燃料，因此需要一种这样的催化剂成分它具有用在发动机燃烧室中所需要的耐久性。除了包括一种催化剂元素的纯催化剂组分之外，也可以使用催化剂合金，该合金包括一种以上的催化剂元素、或者与其它材料相结合的催化剂元素。一种催化剂成分对于一种燃料是有效的，但是对于另一种燃料却无效。
然而，对于在发动机工作期间连续使用的点火帮助装置而言，提供催化剂来帮助点燃燃料以致预热塞可以在较低的温度下进行工作依然是理想的。较低的预热塞工作温度通常使得预热塞的使用寿命更长。使用催化剂也可以提供控制整个燃烧过程的额外要素。因此，对于与柴油相比具有更高自动点燃温度的气态燃料而言，需要找到优选的催化剂成分以用于在内燃机的燃烧室中的商业使用。
使催化剂沉积在预热塞或者布置在预热塞周围的套上的制造方法也可以影响催化剂的效力。因此，还需要确定优选的方法来使催化剂沉积在预热塞套上。
发明内容
提供一种内燃机，它包括燃烧室，该燃烧室由气缸、盖住气缸一端的缸盖和在气缸内进行往复运动的活塞限定，该活塞具有面对缸盖的活塞顶部。该发动机还包括进气口，它用于把进气引入到燃烧室中；排气口，它用于把燃烧产物从燃烧室中排出来；燃料喷射阀，它设置在缸盖中以把燃料直接引入到燃烧室中；及设置在燃烧室内的点火帮助装置，它具有带有设置在点火器周围上的套的白炽点火器及催化剂合金，该催化剂合金包括第一催化剂元素及第二催化剂元素，与第二催化剂元素相比，第一催化剂元素对氧具有更大的亲合力；第二催化剂元素，与第一催化剂元素相比，第二催化剂元素对燃料具有更大的亲合力。
应该相信，所述催化剂合金提供了双功能机理，与使用一种催化剂元素相比，其促进了包括燃料和氧在内的反应的改进。喷涂有一种催化剂元素的传统的点火帮助装置适合于对工作条件需要较少的只用于起动期间点火帮助装置或者所具有的相对容易的点火的十六烷值的燃料。本发明的采用了催化剂涂层的点火帮助装置，当使用更加难以点燃的燃料时，通过减少所需温度以有助于点燃并且延长点火帮助装置的使用寿命，所能提供的优点变得更加明显。对于这些燃料而言，在发动机工作期间可以连续地使用点火帮助装置，并且对于得到商业产品所需要的耐久性，延长点火帮助装置的使用寿命是非常重要的。
在优选实施例中，燃料是气态燃料，及在发动机工作时，白炽点火器连续地受到加热。气态燃料可以包括甲烷，而该甲烷是燃烧起来比传统液态燃料更加清洁的燃料。公知的是，甲烷是天然气的主要成分。
对于气态燃料而言，与钌对气态燃料的亲合力相比，当钌对氧具有更大的亲和力时，第一催化剂元素是钌。为了提供双功能，因此第二催化剂元素可以从包括钯和铂的组中选择出来，与第二催化剂元素对氧的亲和力相比，第二催化剂元素被选择成对燃料具有更大的亲和力。在一个优选实施例中，与第二催化剂元素相比，按照催化剂合金的重量，第一催化剂元素具有更高的比例。例如，实验数据表明，在优选的合金成分中，在催化剂合金的催化剂材料中，对氧的亲合力大于对燃料的亲合力的第一催化剂元素大约为75重量％。
设置在点火器周围上的套优选地包括内部表面，它面对点火器；及外部表面，它面对燃烧室，而催化剂合金涂层设置在内表面和外表面上。套具有管形部分和开口端，该管形部分包围着点火器。在优选实施例中，套具有管形部分，它包围着点火器；封闭端；及若干孔，它们用于把具有燃料的可燃混合气引入到位于套和点火器之间的隔离空间中，并且用于把燃烧火焰从隔离空间喷出到燃烧室中。
提供一种在工作内燃机中帮助点燃燃料的方法。当发动机运转时，在每个发动机循环中，该方法包括通过进气口把进气引入到燃烧室中；把燃料直接喷射到燃烧室中；通过电来加热预热塞以帮助点燃燃料；通过排气口从燃烧室中排出燃烧产物；及用套来遮住预热塞，而该套与预热塞的侧部隔开并且基本上包围着这些侧部，其中套具有沉积于其上的催化剂涂层，该催化剂涂层包括第一催化剂元素和第二催化剂元素，其中与第二催化剂元素相比，第一催化剂元素对氧具有更大的亲合力；与第一催化剂元素相比，第二催化剂元素对燃料具有更大的亲合力。
在优选实施例中，该燃料是气态燃料如天然气。第一催化剂元素优选为钌，而第二催化剂元素优选为钯。
当发动机运转时，通过施加10到12伏特的电压来连续地加热预热塞。
根据优选的方法，当发动机运转时，在气缸内进行往复运动的活塞处于上死点之前的40度到上死点之后的10度之间时可以开始喷射燃料。借助把燃料直接喷射到燃烧室中，并且在这样的时刻，使得该发动机的工作性能和效率可与使用柴油的柴油机相比。
在制造点火帮助装置的优选方法中，在催化剂涂层沉积到该套上之后并且在安装和使用在发动机之前，对该套进行热处理。该热处理包括在空气中把套加热到500到1000摄氏度的温度至少10分钟(例如在10分钟到8小时之间)。
图1是燃烧室上部的剖视图，它示出了与用来把气态燃料直接喷射到燃烧室中的燃料喷射阀有关的一部分缸盖，及包括设置在预热塞周围的管形套的点火帮助装置。
图2示出了金属套上的Pd涂层表面的放大图。
图3和4是金属套上的Pd涂层表面在800摄氏度下进行烘炉老化的不同时期的放大图。
图5是Pd/Ru涂层表面的放大图。
图6和7是Pd/Ru涂层表面在发动机进行实验之后的放大图。
图8是曲线图，它绘出了采用热表面点火的气体燃料发动机的正常点火延迟相对预热塞电压的曲线，其中所绘出的数据是从使用不同催化剂成分的实验中收集来的。
图9a是曲线图，它绘出了正常点火延迟相对预热塞电压的曲线，其中所绘出的数据表示不同催化剂成分，因此确定钌含量的效果。
图9b是曲线图，它绘出了图9a的相同催化剂成分的最大气缸压力的变量系数的数据，该数据表示燃烧稳定性。
图10是曲线图，它绘出了由数学微动力模型所预告的正常化计算出的点火延迟相对通过实验所测量出的点火延迟的曲线。
图11是曲线图，它绘出了正常化点火延迟相对预热塞的体积温度的曲线。
具体实施例方式
1.8升4缸柴油机被转换成使用天然气作为燃料来工作。天然气通过燃料喷射过程直接喷射到敞开的燃烧室中，该燃料喷射过程开始于上死点(TDC)之前的40度到TDC之后的10度之间，其中TDC被定义成在发动机循环期间发动机活塞处于这样的位置上在该位置上，它最靠近缸盖，“度”是通过曲轴旋转来测量的曲柄角度。
图1示出了一部分缸盖100，它示出了对燃烧室进行的一些改进。燃烧室的剩余部分保持与燃烧柴油的上述发动机的相同。为了喷射气态燃料，燃料喷射阀110安装在正常情况下用于传统柴油喷射阀的相同开口中。燃料喷射阀110的优选实施例是直接驱动的燃料喷射阀，该燃料喷射阀采用了磁致伸缩或压电式驱动器和液压连接组件，如公开在共同拥有的美国专利No.6298829中的燃料喷射阀。点火帮助装置120以这样的角度进行安装，以致预热塞122的自由端沿着燃料喷射阀110的方向进行倾斜。套124的管形部分被隔开并且包围着预热塞122。预热塞122的自由端从套124的敞开端凹入。
在内燃机燃烧室中使用催化剂的问题是使用寿命问题。在工作期间燃烧室内的一些恶劣情况包括暴露到进气中，该进气以大约-40摄氏度到+60摄氏度之间的温度进入到燃烧室中；及暴露到热的燃烧气体中，该燃烧气体的温度可以为+1200到+2800摄氏度之间。因此，重要的是，将催化剂粘附在其所沉积的表面上。
图2示出了具有Pd涂层的金属套的表面的放大图。在这个图形和包括在这些附图中的其它图形中的放大度借助图形中的标尺来示出，该标尺的度量为10微米。喷涂过的表面的特征在于具有规则的裂纹图型。借助热处理催化剂涂层来提高催化剂粘附力。图3是Pd涂层表面在800摄氏度下进行10分钟的烘炉老化之后从而导致Pd催化剂退火并且提高粘附力的放大图。退火过程不会改变催化剂涂层的表面成分。图4是Pd涂层表面在800摄氏度下进行8小时的烘炉老化之后的放大图，该图主要表明了没有损失催化剂覆盖层，从而证明，给Pd催化剂涂层进行退火可以提高粘附力，及在这种处理之后的涂层可以经受得住长时间地露出到空气中的高温情况下。因此，希望在安装到燃烧室之前把热处理过程合并到制造过程中以给催化剂涂层进行退火。
图5是具有Pd/Ru涂层的金属套表面的放大图，该表面的特征在于具有规则裂纹图型，该表面与只喷涂有Pd的套表面非常相似。但是，如图5所示，在这个例子中，不均匀的涂层表明，Pd/Ru涂层的粘附力不及只具有Pd的涂层好。更差的粘附特性在正常情况下提示人们不要使用Pd/Ru催化剂的成分方案。
图6和7是喷涂有Pd/Ru的套表面在发动机中进行实验之后的放大图。在安装到发动机之前，使这些Pd/Ru涂层进行退火。图6示出了在安装时更加靠近缸盖的套表面的一部分。图7示出了靠近顶部或者敞开端的套表面的一部分。图6和7的比较表明，沿着套的长度，表面特性没有明显不同。
对许多不同催化剂成分设计进行实验以确定优选的成分设计。在这些实验中，使用相同的发动机，而唯一的不同在于预热塞套上的催化剂涂层的成分。图8是曲线图，它绘出了从这些实验中收集来的一些数据。在这个曲线图中，用来绘出这些数据点的符号与下表1中所示出的成分相对应
表1图8的图例图8中所绘出的数据是从四缸1.8升柴油机中收集的，该柴油机以天然气作为燃料，在50N-m的负荷下以2000rpm的速度进行工作。绘出正常化点火迟延相对预热塞电压的曲线。对于小于12的电压而言，Pd/Ru催化剂成分提供了最短的点火延迟。所观察到的预热塞电压的减少量相当于50到100摄氏度的预热塞温度的减少量，期望这种温度减少量能够明显提高预热塞的使用寿命。
图9a是绘出了正常化点火延迟相对预热塞电压的曲线。这个曲线图中的数据点可以从一些实验中得来，而进行这些实验来确定更高的钌含量是否适合于提高天然气的点火。又，采用把直接喷射的天然气作为燃料的1.8升四缸柴油机。下表2提供了数据点的图例。
表2，对于图9a和9b的具有重量测量百分比的图例。
在图9a中所绘出的数据示出了发动机的点火延迟相对预热塞电压的曲线，其中发动机以2000rpm的速度在200N-m的负荷下进行运转。在所实验的这些催化剂成分设计中，对给定的电压而言，用具有最高的钌含量(按重量计算，25％的Pd和75％的Ru)的成分可以得到最短的点火延迟。图9b中所绘出的数据显示在相同的发动机工作条件下燃烧稳定性(如最大气缸压力的变化系数-COV-的较低值所示一样)作为的预热塞电压的函数。该图示出了，在所实验的这些催化剂成分中，用最高的钌含量的成分(按重量计算，25％的Pd和75％的Ru)可以得到最好的燃烧稳定性。相信这些结果示出了，在催化剂成分包含更多钌而不是铂、可以在燃烧天然气的发动机中提高燃烧稳定性和实现低电压工作。这种性能优点的一种可能解释是，双功能机理提高了催化剂合金的性能，根据这些催化剂成分中的一种对氧的亲合力与这些催化剂成分中的另一种对燃料的亲合力相比，不同燃料可以使用不同催化剂成分。在这里所描述的例子中，相信甲烷、CO和CHx优先地吸附在Pd上，与Ru相比，Pd对这些分子具有更大的亲合力，并且氧优选地吸附在Ru上，与Pd相比，该Ru对氧具有更大的亲合力。
构造数学微动力模型来预告不同催化剂成分的点火延迟。在微动力模型中，点火延迟被定义成初始温度在初始值上增加10％所需要的时间。初始固态温度和进入气体温度设置在1500K上。在图10中，绘出通过模型所计算出的点火延迟相对单缸发动机在50N-m和200N-m的负荷下通过实验所测得的点火延迟的曲线。借助表示Pd的重量百分比成分而其余部分是Ru，设置在曲线图中的图例表示催化剂成分。图10示出了，微动力模型正确地预告了随着每个套涂层的入增大具有点火延迟减小量，并且还预告了具有25％Pd和75％的Ru的催化剂成分具有更短的点火迟延。
应该相信，在内套表面和外套表面上设置催化剂涂层，通过增大催化剂表面积改善了点火，增大催化剂表面积可以导致增大催化剂暴露在可燃空气/燃料混合物中。通过与只在内表面上具有催化剂涂层的套相比，证明在内表面和外表面上具有催化剂涂层的套明显减少了点火延迟的示例，实验结果支持了这种预测。图11是曲线图，它绘出了正常化点火延迟相对平均预热塞温度的曲线。如已经描述过的那样，为了提高预热塞的耐用性和使用寿命，希望使预热塞工作在较低的温度上。图11示出了通过喷涂预热塞套的内表面和外表面，在低温下可以可靠地点燃气态燃料如天然气。所示出的菱形标号表示在催化剂涂层位于预热塞套的内表面和外表面上的套中所测得的数据点，及所示出的正方形标号表示在催化剂涂层只位于预热塞套的内表面上的套中所测得的数据点。所示出的三角形标号表示在预热塞套没有被喷涂时所测得的数据点。在所有这些实验中，发动机处于怠速，并且在没有任何废气再循环的情况下进行工作。
根据上面公开的内容，正如本领域普通技术人员所知道的，在实现本发明时可以进行许多改变和改进，而没有脱离本发明的精神实质或者范围。因此，本发明的范围由所附的权利要求书限定的内容而得到。
权利要求
1.一种内燃机，它包括燃烧室，该燃烧室由气缸、盖住所述气缸一端的缸盖和在所述气缸内进行往复运动的活塞限定，且该活塞具有面对所述缸盖的活塞顶部；所述发动机还包括(a)进气口，它用于把进气引入到所述燃烧室中；(b)排气口，它用于把燃烧产物从所述燃烧室中排出来；(c)燃料喷射阀，它设置在所述缸盖中以把燃料直接引入到所述燃烧室中；及(d)设置在所述燃烧室内的点火帮助装置，它包括带有设置在所述点火器周围上的套的白炽点火器及催化剂合金，所述催化剂合金包括第一催化剂元素及所述第二催化剂元素，第一催化剂元素与第二催化剂元素相比对氧具有更大的亲合力；所述第二催化剂元素与所述第一催化剂元素相比对所述燃料具有更大的亲合力。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述燃料是气态燃料。
3.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述燃料包括甲烷。
4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述气态燃料是天然气。
5.如权利要求2-4任一所述的内燃机，其特征在于，所述第一催化剂元素是钌。
6.如权利要求1-5任一所述的内燃机，其特征在于，所述第二催化剂元素从包括钯和铂的组中选择出来。
7.如权利要求6所述的内燃机，其特征在于，与所述第二催化剂元素相比，按照所述催化剂合金的重量，所述第一催化剂元素具有更高的比例。
8.如权利要求7所述的内燃机，其特征在于，在所述催化剂合金的催化剂材料中，所述第一催化剂元素大约为75重量％。
9.如权利要求1-8任一所述的内燃机，其特征在于，所述套包括内部表面，它面对所述点火器；及外部表面，它面对所述燃烧室，而所述催化剂涂层设置在所述内表面和所述外表面上。
10.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述套具有管形部分和开口端，该管形部分包围着所述点火器。
11.如权利要求1-9任一所述的内燃机，其特征在于，所述套具有管形部分，它包围着所述点火器；封闭端；及若干孔，它们用于把包括所述燃料的可燃混合气引入到位于所述套和所述点火器之间的空间中，并且用于把燃烧火焰从所述空间喷出到所述燃烧室中。
12.一种在工作内燃机中帮助点燃燃料的方法，在每个发动机循环中，所述方法包括通过进气口把进气引入到燃烧室中；把所述燃料直接喷射到燃烧室中；通过电来加热预热塞以帮助点燃所述燃料；通过排气口从所述燃烧室中排出燃烧产物；及用套来遮住所述预热塞，而该套与所述预热塞的侧部隔开并且基本上包围着这些侧部，其中所述套具有沉积于其上的催化剂涂层，所述催化剂涂层包括第一催化剂元素和第二催化剂元素，其中与所述第二催化剂元素相比，所述第一催化剂元素对氧具有更大的亲合力；与所述第一催化剂元素相比，所述第二催化剂元素对所述燃料具有更大的亲合力。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一催化剂元素是钌。
14.如权利要求12或者13所述的方法，其特征在于，所述第二催化剂元素是钯。
15.如权利要求12-14任一所述的方法，其特征在于，所述催化剂涂层沉积在面对所述预热塞的所述套的内表面上和面对所述燃烧室的所述套的外表面上。
16.如权利要求12-15任一所述的方法，还包括，在所述催化剂涂层沉积到该套上之后并且在安装和使用在发动机之前，对所述套进行热处理。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热处理包括在空气中把所述套加热到500到1000摄氏度的温度至少10分钟。
18.如权利要求12-17任一所述的方法，其特征在于，所述燃料是天然气。
19.如权利要求12-18任一所述的方法，其特征在于，通过施加10到12伏特的电压来加热所述预热塞。
20.如权利要求12-19所述的方法，其特征在于，在所述气缸内进行往复运动的活塞处于上死点之前的40度到上死点之后的10度之间开始喷射所述燃料。
全文摘要
一种内燃机和一种操纵该内燃机的方法，把气态燃料直接喷射到燃烧室中，并且设置有点火帮助装置，该装置设置在燃烧室内。设置在燃烧室内的点火帮助装置包括具有套的白炽点火器，其中该套设置在点火器周围上，并且具有催化剂合金。催化剂合金包括第一催化剂元素，与第二催化剂元素相比，它对氧具有更大的亲合力；及第二催化剂元素，与第一催化剂元素相比，它对燃料具有更大的亲合力。
文档编号F02B51/04GK1711412SQ200380103305
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月7日 优先权日2002年11月15日
发明者罗伯特·S·韦伯, 约翰·P·梅洛, 德里克·J·贝蔡尔, 苏里什·斯里拉马鲁 申请人:韦斯特波特研究公司