专利名称：能使火花点火柴油燃料活塞式发动机冷却起动和运转的混合气调节系统的制作方法
技术领域：
本发明的背景1.本发明的领域本发明涉及内燃发动机技术的改进措施，特别是火花点火，柴油(即煤油基的)燃料燃烧活塞式发动机。
2.本发明的背景如果在不同的应用中打算使用各种类型的发动机，但对所有类型的发动机仅能供应和贮存单一种燃料，在这样的条件下希望火花点火活塞式发动机能够使用煤油基燃料，即范围从JP-5到D-2各种型号的燃料，代替汽油。典型地，在军事环境中将会遇到这类情况，可能包括使用飞机喷气发动机，车辆发动机，固定的或可移动的内燃机发电机系统等。在这样的条件下，所有发动机能使用单一型的燃料特别是柴油型燃料认为是有好处的，因为通常燃烧汽油、火花点火、二或四冲程活塞式发动机可以转换为使用柴油燃料，而仅要求对基础发动机做最小的改动。非军事环境可以包括在有煤油而没有汽油的地方使用的公共汽车和辅助发动机，野营车和辅助发动机和小的手提发动机。
然而打算采用柴油(即煤油基的)燃料的二或四冲程循环火花点火活塞式内燃发动机一般需要特定的装置以便在冷的环境条件下起动，还有在运转时，由于燃料不完全燃烧，这样的发动机有火花塞积碳、排出高的碳氢化合物(HC)和冒烟的倾向。一般用于起动柴油发动机的预热塞可能不大可靠，除非有电池或其它电源为预热塞送电，即使应用预热塞是可行的，但火花点火发动机低的压缩比不能使混合气达到足够高的温度以便可靠地保证使用预热塞时在冷起动条件下点火。
当JP-5和轻煤油燃料在亚凝结温度下自由流动时，重柴油燃料倾向于混浊和凝结，这是由于在这样的燃料中包含凝结的蜡，使在极冷条件下采用重柴油燃料产生问题。为了避免与这样的燃料相关的冷流问题，在柴油发动机燃料供应系统中已应用了各种类型的燃料预热器。
因此，对于火花点火，活塞式，燃烧煤油基的燃料(柴油)的内燃发动机需要有一个混合气调节系统，使在冷环境条件和没有提供电能的电池情况下将能可靠地起动发动机，并将保证在发动机操作期间燃料清洁的燃烧不会造成火花塞积碳。
本发明打算为柴油燃料火花点火发动机提供一个起动和运转系统，它能保证即使在极冷的环境条件下这样的发动机能可靠地起动和清洁地运动。
本发明的概述按照如下面说明和权利要求书所述的本发明，一种火花点火、活塞式、柴油(即煤油基的)燃料的内燃发动机装设一混合气调节系统，该系统包括一燃料预热器，它最好汽化充足的液体燃料于发动机的混合气进气管中以能可靠地起动发动机。最好与燃料汽化器一起使用第二个混合气或燃烧室加热系统。
本发明还包括一燃烧室热发生器装置，它能保存燃烧热以有利于供给此发动机的柴油燃料混合气连续清洁的点火和燃烧，和包括一火花塞吹扫系统，它能在发动机操作期间利用热气体的高速喷射清洁燃烧室内的火花塞电极。
为实施本发明可应用各种加热系统，但是按照这里说明和申请专利的发明原理，这些加热系统可用一种与从发动机化油器的急速或起动回路引出的燃烧有热交换关系的加热塞；一种可以手动激发和通过加热再循环的化学加热器；一种开放式燃烧燃料预热器和汽化器；一种电阻式陶瓷加热器；和一种燃烧室加热器，它可以是电的、化学的或陶瓷的加热器或者一种回热器。在本发明的任何一个实施方案中可以单独或相互联合使用这里描述的各种加热器。
这里说明了采用混合气汽化器或预热器的起动系统的各种实施方案，从简单的信号系统变化到更先进的燃汽检测系统或基于一个微处理器驱动的控制器的编程的起动循环，所述的简单的信号系统是从燃烧或混合气加热循环开始起经过一段预定的时间后可以起动发动机时给操作者提供一个定时指示信号，所述的基于微处理器驱动的控制器的编程的起动循环安排成自动地接合发动机的电起动马达，在程序启动后不用人工干涉。
下面详细描述和图示说明本发明。
附图的简单描述
图1示意说明一种活塞式，二冲程火花点火的内燃发动机，它具有实施本发明的燃料汽化和混合气预热系统；图2是按照本发明的燃料汽化室的部分剖面侧视示意图，该图为沿图3中线II-II所取的；图3是沿图2线III-III所取的侧视剖面图，图示说明按照本发明的混合气加热元件；图4显示图2中所说明的装置的另一实施方案，它是沿图5线IV-IV所取的部分剖面图；图5是沿图4中断面线V-V所取的，显示图4所图示说明的本发明的另一实施方案；图6显示能用于本发明的燃烧室结构的一个例子；图7是包括有热保持元件的本发明另一实施方案的示意图；图8是沿图7中线VIII-VIII所取的，图7中所示的热保持元件的平面图；图9是图示说明燃料喷入发动机时所能应用的本发明另一实施方案的示意平面图；图10显示图示说明利用化学预热器装置的本发明另一实施方案；图11显示在燃料传送回路中使用一化学预热器装置的本发明又一实施方案；图12显示在发动机进气歧管中使用一化学预热器的本发明另一实施方案；图13显示应用一开放式燃烧装置预热燃料的燃料预热装置的另一实施方案；和图14图示说明本发明另一实施方案，其中在直接喷射、火花点火、二冲程发动机的头部装设若干小燃烧室。
详细说明参考附图，一往复式活塞、二冲程循环、火花点火的单缸发动机以10所示，它包括一个发动机气缸体或壳12，一个汽缸头14，一个曲轴箱16和一个与适当的起动齿轮机构相连(图中未示出)通电的起动马达20，起动齿轮机构与发动机驱动轴18相连接。发动机10还包括一排气导管22和一进气导管24。化油器装置26与进气导管24可操作地相连，它可以是任何常规的结构，只要能准备好燃料空气混合气使之在发动机10起动时进入进气导管24。化油器26包括一个进气喇叭口28和一个普通的空气节流阀(图1中未示出)用于在发动机10工作期间调节空气和燃料通过导管24的流量。已说明一个电操作的起动马达20，同时为起动的目的可以装设一个简单的手动拉绳起动设置与输出轴18或其它旋转的发动机部件相连。
在图1所示本发明的实施方案中，发动机10还可以包括一个火花点火装置30，它安装在发动机10的头14上并伸入发动机的燃烧室内(图1中未示出)。也可以装设一个通电的预热塞32，下面将详述其装设的理由，加热塞也固定到发动机10的头14上并伸入发动机燃烧室内。按照图1所示本发明的实施方案，还装设一个发动机头部温度传感器34。
图示提供一电池装置36与发动机10相连以便送电给点火系统、起动马达20和发动机的其它通电部件或发动机的各种附件。继电器38控制从电池36到马达20和其它用电装置电能的传递，后面将解释其控制方式。
发动机10的各种结构细节及以后要描述的与之相关联的各元件基本上是内燃机领域中普通的熟知的装置。可以预见发动机10将利用煤油基型的燃料，范围从JP5到D2的各种燃料，以便当不能提供汽油，或者当各种发动机必须使用单一燃料时，可以使用这种燃料，在军用环境中可能有这种情况。
众所周知，燃烧煤油基型燃料的、往复式活塞、二冲程发动机，若不使用比标准煤油型燃料更易挥发的起动燃料组分或不使用将燃料在进入发动机燃烧室之前汽化的加热系统是很难起动的。本发明提供一种独特的燃料预热系统或燃料室加热装置，该装置使利用如上所述煤油型燃料的内燃机特别是在低温操作条件下能够方便地起动。
按照本发明一个实施方案，至少提供两级燃料或混合气加热装置，从而通过与燃料源和/或进气导管相连的加热装置首先将液体燃料汽化或加热，也可以通过一种加热器而不是火花点火器加热在发动机燃烧室里与那种燃料形成的混合气。下面说明燃料汽化和混合气加热系统的这个实施例。
参考图1-3，最好选择化油器26，使它有一起动回路使液体燃料源的液体燃料流到进气导管中节气门下游的进气导管。在发动机正常起动时，通过起动回路供给液体燃料以便为燃烧提供燃料，此时节气门基本上关闭或接近关闭。当然，打开节气门将增加通过发动机进气导管的空气流量，因而通过在化油器内通常用空气吸入燃料的方式将燃料供给到发动机混合气的进气口。
在本发明的这个例子中，化油器26将包括一个液体燃料起动回路，它与将液体燃料送到燃料汽化器40的适宜的口或导管连通，该燃料汽化器装置在图2中更为详细地图示说明。
更具体地说，如图3所示，化油器26包括一液体燃料容纳室42和一怠速或起动燃料导管44，导管44从室42延伸到汽化器40内的汽化室46。室42与接纳自燃料管线48的液体燃料源连通，管线48接受来自合适燃料源(未示出)的燃料。
化油器26仅被示意地图示，未显示与化油器装置有关的通常的细节，这些细节包括一浮子室，燃料液位指示元件，孔口，文丘里和其它与化油器有关的机构，这些机构用于控制由于发动机运转空气通过导管流动时吸入进气导管的燃料流量。但是所选用于本发明的典型的优选化油器将包括一燃料怠速或起动回路，此回路至少包括一导管用于输送液体燃料到进气导管内流量控制或节气门下游一个位置处，节气门是如图3中50所示或等效物。内燃机中通常情况是按照发动机承担的功率要求利用节气门50控制发动机10的速度。
如图2所示，导管44伸入汽化器40的汽化室46。在汽化室46内设置最好是通电的加热元件52。紧密围绕向上延伸的加热元件52的是一绝热壁54，该绝热壁54的上端有开口56，与导管58相连通，导管58与进气导管24的内部连通。
在进气导管24内刚好在导管58与导管24相交处的下游，任选地提供一个第二加热元件60，它延伸穿过进气导管24以便加热流过进气导管24的燃料和空气(即混合气)，包括任何在室46内由加热元件52汽化和通过导管58排出的燃料。
在图示例中的加热元件52和60最好是由任何合适的电源例如电池36供电。电线62和64分别将电气元件52和60连接到电源，其连接方式下面将更详细地说明。
加热元件52和60可为任何型式，可以选择由操作者送电或由于发动机起动程序的启动自动送电以便产生或发出充足的热量，在加热元件为52的情况用于汽化发动机10使用的液体燃料，或者在加热元件为60的情况用于加热混合气到充分高的温度使发动机10能够起动。举例来说，加热元件52可以是起动柴油机所用的常规的加热塞，而加热元件60可包括陶瓷制的栅，其电阻率随通电的陶瓷元件温度升高而减小。就是说加热元件60的陶瓷材料是一种不良导体，通电时由于材料对电流从材料中通过有阻力而使材料加热，但是由于它对在预先选定的温度的电流流动的阻力减小而保持一预定的温度。这种陶瓷材料在所谓的家用陶瓷加热器装置中为大家所熟知。
在另一实施方案中，与进气导管有关的加热元件可任选为环形套管66如图4和5所示，其中形成套管的材料与加热元件60相同。应该理解，在本发明的最宽广的范围内加热元件52、60、66可以被任何适宜的加热元件所替代，包括电阻元件，化学加热元件，放热反应元件，催化元件或等效物。然而相信应用这里描述的陶瓷加热器型式有新颖性和独特性。
如图5所示，可以装设加热元件68来传递热量给进入发动机10燃料室内的混合气。加热元件68同样由通过线69送电的电加热的陶瓷或其它材料制成，或者可以简单地是一个热保持元件，与形成发动机10燃烧室壁的材料相比，它能在连续的燃烧周期之间更好地保存热量。例如，如果气缸壁或气缸头的材料是铝，元件68可以是钢。
图1所示为又一可选择的方案，其中延伸进入发动机10燃烧室的加热塞32作为混合气预热器。加热塞在图3中未示出，但它将连接到孔70，给孔70制以适当的螺纹，例如，以安放加热塞。在螺口72装设一个火花塞或其它常规的火花点火器30。按照常规的技术将适宜的电导线连接到加热塞和火花点火器上。当然，在图5所示方案的情况下，不采用加热塞而代之以使用加热元件68并将火花塞插入到口74中。
应该理解，在打算使用煤油型燃料的发动机的任何冷起动系统里，上述的各种加热装置可以互相联合使用或单独使用。由本发明计划实施的任何冷起动系统中最好利用至少两个加热装置。因此一个燃料汽化器可以和与发动机进气导管相关联的栅或套管加热器60，66联合使用，或者与图5和图7所示的燃烧室加热器联合使用。用于汽化燃料和/或混合气的化学加热装置和下面所述的燃烧室同样可以与到现在为止所述的任何加热器联合使用或者单独使用。因此必须理解，这里公开的任何燃料和/或混合气预热器或燃烧加热器/预热器装置都可以单独或联合使用这里所述的任何其它加热装置，这取决适合于冷起动条件的特定的发动机应用。
本发明考虑了一个起动控制系统示意地图示说明为控制箱84(图1)，它可安装一个简单的指示器和信号系统或者有一个微处理器控制的发动机起动装置。在简单的信号系统情况下装设一合适的开关86以便启动任何电激发的加热元件，如元件52，60，66，32或68。如果这些元件是用电的，例如如果从电池36到控制单元84提供一适当的导线88，并在单元84内包含适当电路将电能引导至电线62，64，33和69(下面说明)。如果加热元件68(图5)是用电的，将在元件68和控制箱84之间提供一适宜的导线69，以控制元件68的通电。加热元件52，60和32将连续通电直到进气导管24内保证有汽化的燃料。这可通过在控制箱84中使用一个简单的计时器来完成，此计时器使这些电加热元件在一预定的周期内起作用，此周期可由实验确定，这样实际上将总能保证在进气管24内有汽化的燃料。在此预先选定的时间间隔终了时，控制箱84内的指示灯可闪光发出一信号给发动机的操作者，在用手柄起动起动器的情况下去起动发动机，或者如果装设马达20的话，将启动连接电池36与电起动马达20的继电器38。按照本发明另一模式，控制箱84可以自动启动连接电池36和起动器马达20的继电器38，以便在进气导管24内存在汽化的燃料之后自动地转动发动机10。
如果使用一个微处理器，将由操作者启动起动模式序列的操作，例如开启开关86，接着微处理器将激发燃烧室上的加热塞32，在一预定的时间激发汽化器内的加热塞52，然后当微处理器收到一个适宜信号指示可靠的起动条件时，启动起动器马达20。为此目的，可在进气导管24内(图1)装设一个温度或汽化燃料传感器90，通过导线92将它连接到控制箱84，以便为微处理器提供进气导管温度条件或者存在燃料蒸汽的指示信号。如果需要，如图所示同样可以用传感器34将发动机气缸头的温度提供给控制箱84中的微处理器，如果通过引线93应用和控制一个自动节气门控制的话，微处理器能够控制发动机怠速。在简单的起动指示器系统中也可利用汽化燃料传感器90，从而控制箱84将接收到来自传感器90的表示进气导管24内存在燃料蒸汽的信号，控制单元将给发动机的操作者发出一个听得见或者看得见的信号，表明起动发动机的燃料条件是正确的。
对于这个应用可以采用任何合适的微处理器，并且根据输入给微处理器的各种信号进行发动机10起动所要求的程序编程，对于熟知计算机和发动机技术的人员来说，这是轻而易举的事。
可以将控制系统84与控制火花塞30操作的启动系统结合成一整体，或者可以采用一个简单的磁电机系统，其中通过与火花塞30电连接的适宜的磁电机(未显示)，发动机的操作产生火花能量。
如上说明，考虑的发动机10是包括二冲程循环的发动机，为准备混合气它采用自然吸入式的化油器。用于这种发动机的活塞在图1-5所示实施方案中未示出，但是此活塞正常地将周期性地遮盖和打开进气口94，混合气输送口96和排气口98，从下面参考图6的说明中这点将会很清楚。
非常希望采用这样一种燃烧室结构，它将能使发动机在起动后运转时无暴震和具有可接受的排放。在这方面可以应用如图6所图解说明包括任选的保热器或加热元件68的燃烧室几何结构。在美国专利No.4,778,942中图示说明了这种燃烧室几何结构，这里引用作为参考。与延伸入曲轴箱100的连杆108固定连接的活塞102的上面端基本上是仿形的，因此在活塞的上死点(TDC)位置，燃烧室104实际上被在活塞102上端的脊或高起部分130和/或汽缸头的凸起103划分为两个室126，128。火花装置132延伸进入主燃烧室126，在那里在每个燃烧周期期间使每批混合气点火。按照专利No.4,788,942中所述的原理选定在活塞102的脊130和汽缸78的封闭端(或凸起103)之间存在的间隙，从而由在活塞102的脊或凸起130和汽缸78的封闭端之间的间隙所形成的限制通道，使燃烧室104构成的共振室与主点火室126分开。实际上只有位于和接近活塞102的上死点(TDC)位置时才存在此共振室104，但这个时间足够持久，以便得到如专利No.4,788,942中所说明的共振室104的有益作用。
如在那个专利中所进一步描述的，在点火时刻，每批混合气的全部燃料大体上都装在点火室126内，而共振室104内装有不能充分燃烧的燃料或大体上没有燃料。在点火时由燃烧波能量所引起的室104的共振产生空气泵效应，从而将装在室104内的空气泵入到点火室126，即使室126内的平均瞬时压力可能比室104内的瞬时平均压力还要高，这些都如专利No.4,788,942所述。为了进一步说明燃烧室104的操作将参考前面提到的专利。
在图6的实施方案中，可选择地提供一曲轴箱加热器110，以便在发动机冷起动时预热从进气口94吸入的混合气。将提供适宜的电线112以便为加热器110提供电能。
当然图6所说明的发动机结构是二冲程、火花点火发动机的典型设置，在这种发动机中活塞102在气缸78中往复运转，当活塞周期性遮盖和打开进气口94，混合气输送口96和排气口98时，引起曲轴箱100内压力周期性变化。当活塞102在汽缸78内向下运动时，在燃烧室104内造成真空并在曲轴箱100内产生一个压力。在前面的活塞102上冲程期间一些混合气已通过进气口94进入此曲轴箱，此混合气可能已被一个或多个预热元件52(图2)，60(图2)，66(图5)或下面将要说明的化学预热器所预热。当活塞降到混合气输送口96以下时，曲轴箱100内的混合气通过混合气输送口被吸入或泵入到活塞102上面的燃烧室区域。然后活塞102的向上运动压缩在活塞顶和封闭汽缸78的汽缸头14之间的混合气。按照上面参考图5所描述的实施方案，如果加热器68是用电的可以在任何时间任选地启动加热器68，以便预热燃烧室。在接着的活塞102向下冲程中，典型地是排气口98首先打开，之后立刻打开混合气输送口96以启动下一个循环。
图7和8中图示说明了本发明另一实施方案，其中示意说明一个气冷的、活塞式、二冲程、火花点火的内燃发动机140。发动机140包括一汽缸140，在汽缸内有一活塞(未示出)往复动作周期性地暴露出进气口144，混合气输送口96和排气口146，以便周期性地使混合气进入汽缸142和将燃烧产物从排气口146排出。一个化油器或其它合适的混合气准备装置148包括一节气门150或等效物，用于以与图1所示发动机相同的方式调节通过进气导管152的空气(和吸入的燃料)的流量。与图1的实施方案相类似，化油器148包括一怠速或起动回路，此回路包括一室154，液体燃料供应到该室，和与图3中导管44相当的一个燃料导管156。相当于图1中汽化器40的燃料汽化器图7中未示出，但在此实施方案中可以装设一汽化器，它将包括与图4中导管58相当的一个汽化燃料导管，它与在任选的加热器装置或元件160内的或与其紧邻的燃料进气导管152相连通，该加热元件160相当于图5所示实施方案中说明的环形加热器元件66。
在图7所示实施方案中，与燃料汽化器组合使用或者单独使用的另一加热元件是热保持元件162，它安装在汽缸142的封闭端邻近火花塞166的火花电极164。
按照这个实施方案热保持元件162是环形结构的以安装在汽缸142的上端内，沿图7中并在图8中示出线VIII-VIII的平面图。
制做热保持元件162的材料最好是其导热系数比发动机140燃烧室壁材料，特别是发动机140汽缸壁和汽缸头材料的导热系数低得多。热保持元件162基于的想法是在发动机140的燃烧室内装设一个插进的或永久的装置，它能在燃烧周期之间保持燃烧的热量。因而如果发动机140的汽缸壁和/或头例如是用铝制的话，热保持元件16可由钢或陶瓷制做。这样的热保持元件将被开始几个燃烧周期加热，之后在从一个燃烧周期到下一个之间将保持在高度加热的状态，其目的在于有助于打算用于发动机140的低挥发度煤油基燃料的汽化。
元件162这样成形以便确定一个或多个室168，这些室在邻近火花塞166的火花电极164的发动机140的燃烧室内一般沿圆周方向延伸。室168通过在室168与发动机活塞上面的汽缸142的内部容积之间的限制开口170和主燃烧室相连通。室168将接纳通过进气口144进入和被发动机的活塞压缩并在燃烧室68内由于燃烧而受到进一步压缩的混合气，在室68内燃烧时室168内的加压气体通过间隙170进入主燃烧室，这是由于活塞从它的上死点位置后退时在燃烧室68内燃烧气更为迅速的膨胀所造成。从室168内高速排出的气体将被限制开口170引导穿过火花电极164以保持火花电极清洁。
可以相信热保持元件162，室168和限制开口170共同联合产生有益的效果，那就是使在图7所说明的发动机内减少发动机爆震和火花塞的积碳。
从图8中将会注意到限制开口170大体上延伸跨过元件162的宽度一个距离，大体上相当于室168的周长，以便在室168和主燃烧室之间提供良好的连续的连通。当如图7所示在发动机140内装设热保持元件162时，在图8中面积170a是从元件162其余部分的平面凹下以便提供限制开口170。开口170的结构也为了熄灭任何从燃烧室来可能冲击这些开口的火焰前锋。
相信，与热保持元件62相连的室168的最小容积将大约为燃烧室上死点容积的5％，在汽缸封闭端和表面170a之间限制开口170的高度约为0.005-0.020英寸(0.127-0.508mm)。然而，也考虑可以利用如图8所图示说明的两个室168，其中室168的总容积大约为发动机140燃烧室的上死点容积的12％。室168合适的容积范围将是燃烧室上死点容积的约5％到20％。
本发明的另一个实施方案图解说明在图9中，其中活塞型，火花点火，二冲程，气冷内燃发动机是将燃料喷射到进气口位置或燃料进气导管内。按照图9的实施方案，发动机174包括一进气导管176和一排气导管178，一火花塞180。活塞(未示出)在发动机174内往复动作以常规方式驱动输出轴182。示意说明一燃料喷射器184与燃料管或其他带压的液体燃料源相连，并与进气导管176连接以向发动机通过进气导管176吸进的空气注入燃料。当然，燃料喷射器184准备合适的混合气以便经过发动机174进气阀导入。
与汽化器40类似的燃料汽化器188装设在次进气导管192中，用于冷起动发动机。
在主进气导管176中的控制阀194可与辅进气导管192中的气流控制阀196一起使用，从而在起动时，可使燃料喷射器不起作用，如果需要，燃料是从燃料汽化器188供给，同时阀门196打开对发动机174供给起动的混合气。在起动时可在从喷射器184供给的燃料和从汽化器188供给的辅助燃料之间进行选择，或者总的燃料供给可通过燃料喷射器184。实际上，将会观察到辅气流导管192是发动机174的起动回路，提供汽化的燃料以能够起动发动机，而其他时候在正常操作中将喷入燃料。可以使用这样的起动回路而不考虑与发动机174相连的特殊燃料喷入装置。例如在将燃料直接喷射到燃烧室的发动机中可以使用相同的起动回路。当然，如果希望与燃料汽化器188联合起来，也可使用这里公开的任何辅助混合气/燃烧室加热系统。
此外，图9中发动机的实施方案也可包括与图5中加热元件68相同的在燃烧室中的加热元件，或者如下面图10所述的化学预热器。而且混合气预热器190还可以包括图12说明的这种类型的化学预热器，下面也将说明。如果需要，与图7中所示的加热元件162相当的加热元件也可结合到图9中所示的发动机中。
图10和11显示本发明附加的几个实施方案，其中可以使用可再循环的化学类型加热器对供给到燃烧室的燃料或发动机燃烧室本身预热。如图10中所示，包括活化器202的化学预热器200装设在发动机208的头部206。以与图7实施方案相同的方法也装设包括电极164的火花塞166，如果需要在这个实施方案中可有选择地装设热保持器162。可以装设手动激发器210以激发活化器202，或任何其他合适的装置以激发活化器202，唯一需要的特点是能够进行活化过程以激发化学加热器中的放热化学反应。
化学加热器200可以包括已知技术中任何合适的化学加热器，但最好是手动可操作的化学加热器。典型地，预热器200包含一种超冷的水样盐溶液，例如四水合乙酸钠，通过活化器202的活化，造成溶质的沉淀，产生出热量，活化器典型地包括一张可弯曲的薄金属片，当弯曲时产生细微的金属颗粒或其他沉淀源以激发在预热器200的物质中产生放热的沉淀反应(即放出变换的潜热)。在美国专利No.4,872,442和5,058,563中描述了先前技术中公开的一种典型热包。可以用图10中说明的化学预热器那样的预热器代替图5和6中说明的加热器元件68和162或者这样加热元件的组合。这里描述的化学加热器通常是可再循环的，利用发动机本身的热量加热溶液(现在带有沉淀)，使化学物质的温度提高到足以溶解成溶液，并在冷却后可再用作加热器。
在图11中图解说明在本发明10冷起动时用于在燃料进气口汽化燃料的化学预热器的另一个实施方案，其中应用化学预热器220加热在怠速/起动回路导管222中的燃料，如前面结合图1和2的各实施方案描述的那样导管222与导管44和58相通。在图11的例子中，活化器224可由激发器226或者等效物手动激发，使化学加热器按照已知的原理220活化，例如上面结合图10描述的那样。在化学加热器220活化时，在起动器44，222，58中的燃料被加热和汽化从而允许发动机10起动。可以单独使用化学加热器220，或者与这里描述的任何其他燃料、混合气或燃烧室组合使用。
图12中显示本发明的另一个实施方案，其中在发动机的进气导管24中装设化学预热器228和相连的激发器/活化器229，以与图5中说明的预热器66相同的方式预热混合气。可以单独使用化学预热器228或者与这里描述的其他各种预热器和燃烧室加热器组合使用。
图13中显示可与发动机10一起使用的燃料汽化器还有另一个实施方案，包括一开口燃烧系统，其结构原理与液体燃料香烟打火机相似。按照图12，从起动回路导管44来的燃料供给油绳材料230，以浸透这种材料。在一合适的时间，用适当的杠杆或按钮234人工使撞针轮232转动，从火石236对现在已浸透燃料的油绳230打出火花或者用任何其他合适的装置使之点火。支持油绳230中燃料燃烧的空气从空气导管238供给，该导管中还包括可转动的阀240或通过合适的机构242操作的等效物，从而在这个例子中当发动机10的主化油器中阻风门(未显示)关闭时，节气门240打开，并且反之亦是一样。在油绳材料浸透的燃料230着火之前可以从发动机10主化油器的起动回路通过分离的导管244供给燃料，或者通过导管44用液体燃料充满室246。
在油绳230中的燃料点火时，将在油绳230的上面发生燃烧，产生的热的燃烧产物将通过烟囱或导管248向上移动并从发动机的散热片252附近和下面的孔250中排出。这样由油绳230中燃料燃烧所产生的加热气体将加热在室246中的燃料，还将加热邻近烟囱248中燃烧产物出口250的散热片250的区域。当然，将选择烟囱248的材料以保证良好的热传导给室246内包含的燃料。然后在室246中汽化的燃料将以与前面描述的图1-5的各实施方案相同的方式，通过导管58进入到发动机10的进气歧管。
作为另一种方案，可以使用催化燃烧器元件(未显示)代替油绳230以避免暴露火焰的情况。催化燃烧器元件可由任何合适的机构起动，包括火花点火器。
图12中说明的有焰预热器可与或不与这里公开的第二或第三加热器中任何一个一起使用。在本发明的所有实施方案中，最好至少使用两级预热器布置，以便在使用煤油型燃料冷起动发动机时至少汽化液体燃料。加热元件的具体布置将取决于任何发动机的具体应用，尤其是取决于在这样的发动机操作中预期遇到的最冷温度和在发动机中使用燃料的类型。
图14显示本发明的又一个实施方案。特别是发动机260包括圆顶的燃烧室262，活塞264在汽缸266中往复；汽缸头268封闭汽缸266的上端以形成燃烧室262。
显示的发动机260是直接喷射发动机，其中燃料是通过燃料喷射器276进入，燃料喷射器与合适的燃料喷射泵(未显示)相连，以按照已知的燃料喷入原理把燃料直接供给燃烧室262。与合适点火源相连的火花塞278产生火花以使燃烧室262中的混合气点火燃烧。可选择地，沿着燃烧室262上端的内壁可以装设加热器或热保持器282。如果装设，加热器或热保持元件282将与图5中说明的加热器或热保持器元件68相当。
说明的图13的实施方案是应用带阀的进气口和排气口284，286，通过众所周知的阀操作装置可以操作，其中进气口284将与化油器或其他混合气准备装置相通，如果需要混合气准备装置可以装设任何这里描述的燃料预热器。可选择地可以取消阀284，286，以有利于随着活塞264的往复运动周期性定时地向燃烧室262传送空气的其他机构，例如同图5，6中混合气输送口76类似的空气输送口与活塞264同步操作。
在发动机260的头部268装设吹气室288，它通过限制孔290与燃烧室262相通，孔的形状与图7说明的与热保持器162相连的限制开口170相对应。也就是说，使限制开口的尺寸有最大的横截面，数量级为0.005～0.020英寸(0.127～0.508毫米)，并将熄灭任何从燃烧室移向室288的火焰前锋。孔290对准火花塞278的电极279，引导从室288吹出的气体沿一个合适的方向，以便在发动机操作中保持电极的清洁。
现在将描述图14说明的本发明实施方案的操作。活塞264的向下冲程通过进气阀284(或者通过合适的空气输送口，如果空气是通过发动机的曲轴箱或其他机构泵入到燃烧室)吸入空气。如果需要，可以使用与图2，4，7或12中说明的加热器60，66，168，228相同的合适的空气预热器预热燃烧空气。在紧接的向上冲程中空气被压缩，在一个合适的时刻通过喷射器276直接将燃烧喷入燃烧室中。一部分燃料空气混合气被压缩进入到吹气室288，在一个合适的时刻燃烧室262中的混合气由火花塞278点火。在点火之前可以激化加热材料282以在发动机冷起动时加热燃烧室或者，如果有电能可以使用加热塞。如果加热器282的材料是一种热量再生器，也就是说，这种材料在燃烧室内从一周期到下一周期如在163(图7)处显示那样，那么在发动机最初的几个燃烧周期之后它将可以操作。
在活塞264的动力冲程中，由于燃烧室中压力增加驱使活塞264向下，燃烧室262将扩大。由于燃烧产物的膨胀和冷却使燃烧室的压力下降，这时室288将向燃烧室排气，那里的高压气体将以高速喷气对火花塞278的电极279直接排放，保持电极处于清洁状态。当使用煤油基型燃料时这是特别有用的，因为使用这类燃料在火花点火发动机中常使火花塞积碳。
在接近动力冲程的终点，前面周期的燃烧产物排出时，排气阀(或口)打开并且进气口打开吸入新的混合气。
虽然联系图14中两冲程循环过程描述发动机，显然该装置也可以在四冲程发动机中工作良好。室288可以是单个连续的室或者可以分成多个室如图示的那样。排气阀286可以由当该活塞接近它的下死点(BDC)位置时，正常被活塞覆盖的排气口代替。也可以在图13所示的这类两循环发动机中使用片簧阀系统，该系统可以与合适的混合气输送口联合工作，或者与直接同燃烧室262相通的各导管和各口连接装设。
可以理解提供本发明的上述各个实施方案仅为了说明的目的，同时按照这里的说明和不背离描述的本发明各原理的精神和范围可以建立本发明的其他实施方案和等效物。因此本发明仅由这里所附的权利要求书的范围和内容限定。
权利要求
1.在一活塞式内燃火花点火发动机中，包括一混合气进气导管；与该进气导管连通的一燃烧室；一液体燃料供应源；与该进气导管相连的一混合气准备装置，从该液体燃料供应源获得液体燃料并向该进气导管中空气流供给该燃料；在该燃烧室中一火花点火器和在该进气导管中一流量控制阀，改进措施包括邻近该进气导管的一燃料汽化室；液体燃料供给口，与该燃料汽化室相通，设置该口接受从燃料供应源来的液体燃料和向该汽化室供给燃料；第一加热装置，与该燃料汽化室有热交换关系；汽化燃料传送口，在该室和流量控制阀下游的进气导管之间，用来接受从汽化室来的汽化燃料，并向该进气导管供给汽化燃料；和第二加热装置，但不是火花点火器，设置该装置向供给到燃烧室的空气和燃料加热。
2.如权利要求1所要求的在活塞式内燃发动机中的改进措施，包括设置一与进气导管相连的怠速回路，当阀闭合或接近闭合时向流量控制阀下游的进气导管正常供应液体燃料，其中从怠速回路向该液体燃料供应口供给液体燃料。
3.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第二加热装置与进气歧管相连，该支管非常接近汽化燃料输送口，在那里该燃料传送口与进气歧管交叉，和其中设置该第一加热装置对供应给进气导管并在其中流动的空气和燃料加热。
4.如权利要求2所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中当发动机处于它的正常起动位置时该燃料汽化室在它的纵向轴方向呈细长形向上伸展；和其中该第一加热装置是细长的并在非常接近该燃料汽化室内壁处伸展；该液体燃料供给口位于该燃料汽化室下端面附近和该汽化燃料传送口位于该燃料汽化室上端面附近。
5.如权利要求4所要求的在内燃发动机中的改进措施，包括隔热机构以使燃料汽化室隔热。
6.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第二加热装置包括一栅覆盖进气导管。
7.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第二加热装置包括一与进气导管相连的环形套管。
8.如权利要求1，6或7中任一项所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第二加热装置包括一电阻加热的陶瓷材料。
9.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第二加热装置包括位于发动机燃烧室内的通电的加热塞。
10.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中发动机是一两冲程，往复式活塞发动机，有一混合气进气口，与燃烧室相通的一混合气输送口和一排气口，一曲轴箱，设置该箱以接受从进气导管来的燃料和空气的混合气，在曲轴箱和混合气输送口之间的混合气输送通道，从而在曲轴箱内活塞的往复运动周期性地将混合气吸入曲轴箱并输送到混合气输送口，其中在曲轴箱中装设该第二加热装置，和控制第二加热装置起动的机构。
11.如权利要求2所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该混合气准备机构包括一包含该怠速回路的化油器，该化油器位于在流量控制阀上游的进气导管内，该流量控制阀包括一节气门用于调节通过进气导管的空气流量。
12.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，包括一检测机构用于检测在进气导管中汽化燃料的存在，和一机构，该机构响应用于检测在进气导管中存在汽化燃料的机构指示在进气导管中存在汽化燃料的信号而发出一发动机起动信号。
13.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该混合气准备装置包括与进气导管相连的燃料喷射器。
14.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中至少一个加热装置是化学加热器。
15.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第一加热装置包括一用电的加热塞。
16.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该发动机至少包括一个汽缸，在该汽缸中的活塞和该汽缸封闭端之间形成一燃烧室，和其中第二加热装置包括由热保持材料制成的在汽缸的封闭端处的热保持装置，该材料比构成燃烧室的汽缸壁材料能更好地保持从一个燃烧周期到下一个周期的燃烧热量。
17.如权利要求16所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该热量保持装置至少确定一个副室，该室通过限制的开口与燃烧室相通。
18.如权利要求17所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该燃烧室当活塞在上死点位置时的容积为V，其至少一个副室的容积约为0.05到0.20V。
19.如权利要求17所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该副室包括一圆周形伸展的室，该室有一周长，该限制的开口其周长近似等于该圆周形室的周长。
20.如权利要求19所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该限制开口的高度范围为0.005-0.020英寸(0.127-0.508毫米)。
21.如权利要求19所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中热保持装置确定若干所述副室，每个通过各自限制开口与燃烧室相通。
22.如权利要求19所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该燃烧室当活塞在上死点位置处的容积为V，副室的总容积约为0.05到0.20V。
23.如权利要求17或19所要求的在内燃发动机中的改进措施，包括一在燃烧室中的火花点火装置，其中设置的各限制的开口引导任何气流从该副室或各副室都向外朝着该火花点火装置。
24.在一内燃发动机中包括一燃烧室，一供应燃烧/空气混合气给燃烧室的混合气传送系统，和一在燃烧室中的混合气点火装置，改进措施包括一邻近燃烧室的化学加热器并相互有热交换关系。
25.如权利要求24所要求的改进措施，其中该化学加热器是可再利用的。
26.如权利要求25所要求的改进措施，其中通过加热和冷却化学加热器实行化学加热器的再利用，从而用发动机操作的热量实行化学加热器的再利用加热。
27.如权利要求24所要求的改进措施，包括一与该化学加热器相连的手动激发器。
28.如权利要求24所要求的改进措施，包括一在混合气传送系统中的燃料加热装置。
29.如权利要求28所要求的改进措施，其中该燃料加热装置包括一燃料汽化装置。
30.在一活塞型内燃火花点火发动机中，包括一混合气进气导管；一液体燃料供应源；与该进气导管相连的一混合气准备装置，从该液体燃料供应源获得液体燃料和向该进气导管中空气流引入该燃料；和在该进气导管中的一流量控制阀，改进措施包括邻近该进气导管的一燃料预热室；燃料供给口，与该燃料预热室相通，设置该口接受从燃料供应源来的液体燃料；化学加热装置，与该燃料预热室有热交换关系；活化化学加热装置的机构；和将在该预热室中预热的燃料供给到流量控制阀下游进气导管的机构。
31.如权利要求30所要求的改进措施，包括一与进气导管相连的第二加热装置，设置该第二加热装置对进气导管中流动的空气加热，和对从燃料预热室供应进气导管的任何预热的燃料加热；和控制第二加热装置操作的机构。
32.如权利要求30所要求的在内燃发动机中的改进措施，该发动机包括一燃烧室，和与该燃料室有热交换关系的燃烧室加热装置。
33.如权利要求32所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该燃烧室加热装置是用电操作的，和控制该燃烧室加热装置操作的机构。
34.如权利要求32所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该燃烧室加热装置包括一热量保持材料，该材料比燃烧室壁材料更好地保持从一个燃烧周期到下一个周期的燃烧热。
35.如权利要求32所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该燃烧室加热装置包括一化学加热器。
36.在内燃发动机中包括一燃烧室和供应混合气给燃烧室的燃料/空气混合气传送系统，改进措施包括一化学加热器，用于至少在混合气传送给燃烧室之前至少对该混合气传送系统中混合气的燃料加热。
37.如权利要求36所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该化学加热器是可再利用的。
38.如权利要求37所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中通过加热和冷却化学加热器使化学加热器可再利用，和包括加热和冷却化学加热器的机构。
39.如权利要求38所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中化学加热器与发动机有热交换关系，从而发动机的操作实现化学加热器的可再利用加热。
40.如权利要求36所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该化学加热器包括手动激发器。
41.如权利要求36所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中混合气的燃料是以液体供应的，和其中设置化学加热器以汽化混合气中的燃料。
42.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第一加热装置包括一油绳或燃烧器用于接受从燃料供应源来的燃料；一点火器给油绳或燃烧器中的燃料点火；一空气供应源给油绳或燃烧器中的燃料供应空气；和用来控制点火器操作的机构。
43.如权利要求42所要求的在内燃发动机中的改进措施，其中该第一加热装置包括一烟囱用来将由油绳或燃烧器燃烧的热气体输送到与该燃烧室有热交换关系的位置。
44.如权利要求42所要求的在内燃发动机中的改进措施，包括控制供应空气给油绳或燃烧器的机构。
45.如权利要求42所要求的在内燃发动机中的改进措施，包括一怠速回路与进气导管相连，设置该回路以便当该控制阀闭合或接近闭合时向流量控制阀下游的进气导管供给液体燃料，其中从怠速回路来的液体燃料供应给该油绳或燃烧器。
46.如权利要求1所要求的在内燃发动机中的改进措施，包括向发动机供电的电池电源，发动机的电起动器马达和能将电池和起动器马达连接以向起动器马达供电的起动回路，进一步改进措施包括自动的发动机起动控制系统包括一汽化燃料传感器，用来检测在进气导管中汽化燃料的存在和产生一汽化燃料信号；将电池和至少一个加热装置连结起来的机构；一手动可操作的开关装置，设置用来产生一发动机起动信号；设置一微处理器并编程用来至少接受该发动机起动信号和该汽化燃料信号，按照微处理器的程序输出一起动器马达接合信号，用来激发起动回路将电池与该起动器马达连接。
47.调节供给火花点火内燃活塞发动机的液体柴油燃料使发动机能够起动的方法，包括以下各步骤供应液体柴油燃料给第一加热器并汽化一定量的液体柴油燃料；供应汽化柴油燃料给发动机的混合气进气导管并将汽化燃料与空气混合；在发动机燃烧室中燃料点火之前通过第二加热器加热汽化燃料和空气混合气。
48.按照权利要求47所述的方法，其中加热该汽化燃料和空气混合气的步骤在混合气进气导管中进行。
49.按照权利要求47所述的方法，其中加热该汽化燃料和空气混合气的步骤在发动机的燃料室中通过加热装置而不是火花点火器进行。
50.按照权利要求49所述的方法，其中汽化或加热的步骤中至少一个用可再利用的化学加热器进行。
51.防止在以柴油为燃料，火花点火，活塞型内燃发动机中火花塞结焦的方法，包括以下各步骤向发动机的燃烧室供应汽化的柴油燃料和空气混合气；操作发动机并将每批供给的混合气一小部分压缩到一个副室，该室邻近燃烧室并通过限制开口与该燃烧室相通，开口的形状使开口引导任何从该副室膨胀流出的气体朝向发动机火花塞的各电极；和发动机每个燃烧周期活塞动力冲程中，从副室来的高速膨胀气体向发动机的火花塞电极排放喷射。
52.如权利要求51所述的方法，包括维持副燃烧室的壁温高于邻近的燃烧室壁温。
全文摘要
一种火花点火、活塞式柴油为燃料的内燃发动机装设一混合气调节系统，该系统包括使液体燃料汽化从而能使发动机起动的燃料预热器，和至少一个第二加热器用来对供给发动机的混合气进行附加的加热。燃料汽化器从发动机的起动燃料回路接受液体燃料，并采用电能或化学能的加热装置，或直接的燃烧加热器。第二加热器可以与发动机的混合气进气导管或发动机的燃烧室相连。第二加热器可以是用电的或化学激发的，或者可以构成一热量再生器，该再生器保持从发动机前一个燃烧周期来的热量。通过采用邻近发动机燃烧室的副室避免火花塞的结焦，该室在每个燃烧周期该活塞的动力冲程中引导高速气流向火花塞的电极膨胀喷射。
文档编号F02N19/02GK1167519SQ95196467
公开日1997年12月10日 申请日期1995年9月28日 优先权日1994年9月29日
发明者W·P·麦科恩, B·P·波普, A·A·波林, P·Y·米尔斯 申请人:索尼克斯研究有限公司