CN101622444A - 感应驱动的点火系统 - Google Patents

Abstract

一种感应驱动的点火系统，具有突起到往复式内燃机的燃烧室内的电极。电极靠近电导体但从电导体电绝缘，所述导电体接收频率在100到400kHz之间的电流。在电极和盖的相邻结构之间也设置热隔离件。所述感应驱动的点火系统使得电极快速且准确地加热至非常高的温度。电极可以在整个燃烧室中形成细长边缘，以在宽区域上提供燃烧启动。

Description

感应驱动的点火系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年12月6日提交的美国专利申请No.11/951,875的优先权，美国专利申请No.11/951,875要求于2006年12月6日提交的美国临时专利申请No.60/873,359的优先权，所述优先权申请的全部内容作为参考并入本文。

技术领域

本发明涉及点火源领域，更具体地涉及用于内燃机中的点火源。

背景技术

在内燃机尤其是往复式内燃机领域，测量数量的燃料和空气被压缩且通过外部点火源和通过压缩热来点火。空气/燃料混合物通过压缩热来点火的发动机通常称为柴油发动机。柴油发动机采用这样的系统：用于燃烧的空气被压缩至足够高的升高温度，以点火从燃料喷射源提供的燃料。这种燃料喷射源通常是喷射器，所述喷射器具有末端，该末端暴露给燃烧室且以离散流的方式喷洒燃料。燃料喷射器将燃料以辐射图案从中心位置喷射燃料，或以给定方向喷射燃料，以通过燃烧室空气的涡流来促进混合。然而，在任一情况下，燃料喷射和得到的燃烧启动大致在一个点处或一个点附近开始。

均质充气压缩点火发动机领域的最近发展已经提出了将燃料在压缩之前喷入进气空气，且使用各种策略来点火得到的混合物。这种方案通常包括点式点火源，如火花塞。

到目前为止，道路上的最常用发动机类型是火花点火式汽油发动机。汽油发动机首先在19世纪后期提出，且从此广泛地用于给乘用车辆提供动力，由于其相对安静的操作和启动简便。随着不断增加的能量价格和客户需求，对火花点火发动机的要求比前些年显著更严格。大部分汽油发动机设计集中于将最大空气流有效地携带至燃烧室中且在燃烧事件发生之后将燃烧产物排出。诸如多个阀、调节的进气系统、可变几何形状进气系统和通过涡轮增压器或增压器对进气充气进行主动增压的设计是用于改进空气流的常用途径。

因而，燃料系统已经通过使用喷射器而不断发展。喷射器被电子控制，以改变数量和定时，从而将高度灵活的燃料喷射到用于燃烧的混合物中。附加的方案已经提出为将燃料直接喷射到燃烧室中，类似于在早期Mercedes Benz跑车上机械采用的系统。

最近以来，已经提出了使用来自于谷类作物的各种形式的乙醇或甲醇的生物燃料，从而提供可再生能源。这种燃料具有高辛烷值的益处，从而可以在燃烧室内容易地处理较高的压缩比。它们也允许排放物的显著减少。然而，这种类型燃料的一个缺陷在于火焰前锋的缓慢传播，使得点火正时有必要远远提前于上止点(TDC)，以确保所有混合物燃烧。这继而降低了效率，因为在活塞朝TDC移动时，燃烧以一个方向推压以相反方向移动的活塞。

火花塞是用于在火花点火发动机中启动燃料空气混合物燃烧的常用点火器。这些年来的各种发展已经增加了经过火花隙的能量，从而更有效地促进燃烧。此外，一些发明人已经建议通过使得火花隙遭受电磁力来促进点火，以有效地扩宽启动燃烧的区域。

然而，这些途径中的大多数仍受到这种限制，即它们实际上是点式或接近点式燃烧启动器。

存在与柴油发动机有关的另一问题，它们不能在寒冷天气中启动。如上所述，柴油发动机采用压缩热来点火燃烧室中的空气/燃料混合物。然而，当气缸盖和气缸体是冷的时，它们用作散热器，吸收由压缩产生的热的一部分。当前，电热塞用于加热发动机本体和周围的气缸。因为电热塞是基本上电阻负载，在电流经过电热塞时放热，所以预加热过程可能花费一些时间：高达20秒。因而，需要更快和更有效地加热柴油发动机本体，这将在寒冷天气条件允许更快的启动时间。

发明内容

本发明采用与进入强电磁场的金属有关的快速发热。通过使用非常快速和准确控制的感应加热的热源，本发明的一个实施例超出了单源点火装置，所述热源不受常规点式点火原理的限制。感应驱动的热源具有广泛选择的几何形状，从而能够配置在整个燃烧室中。这允许火焰前锋扩张，因为有多个点火源或位置。在另一实施例中，感应驱动的热源允许柴油发动机在低温条件下快速和有效地启动。

附图说明

图1A是包含点火启动系统的一个实施例的发动机燃烧室的俯视图。

图1B是包含点火启动系统的另一个实施例的发动机燃烧室的俯视图。

图2是包含点火启动系统的可选实施例的发动机燃烧室的俯视图。

图3是图1A，1B和2的点火启动系统的一种任选设计的截面图。

图4是可选点火启动系统的截面图。

图5是包含点火启动系统的另一个实施例的发动机燃烧室的侧视图。

图6是沿图5的线6-6截取的图5的截面图。

图7是可选线圈装置的俯视图。

图8是另一可选线圈装置的侧视图。

图9是图8的截面图。

图10是与本发明的点火启动系统一起使用的活塞头的侧视图。

图11A是图10的上部脊部设计的截面图。

图11B是图10的下部脊部设计的截面图。

图12是与本发明的点火启动系统一起使用的可选活塞头的前视图。

图13是图12的可选活塞头设计的侧视图。

图14是另一可选活塞头设计的俯视图。

图15是图14的可选活塞头设计的侧视图。

图16是图14所示的脊部的可选设计的侧视图。

图17是与本发明的点火启动系统一起使用的椭圆形活塞的俯视图。

图18是本发明的感应预加热系统的侧视图。

图19是可选感应预加热系统的侧视图。

图20是图19的可选感应预加热系统的俯视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，现在将参考附图所示的实施例并使用具体语言来描述这些实施例。然而应当理解，本发明的范围并不打算由此限制，本发明所属领域技术人员将通常可以想到对所示装置及其用途的这种变化和进一步变型，以及本文所述的本发明原理的这种进一步应用。

图1A示出了典型燃烧室配置的示例，其中，室10由气缸盖12限定，气缸盖12具有进气阀14和排气阀16，以分别吸入可燃烧混合物和在混合物经过燃烧之后排出运动流体。燃烧过程将热能以力的形式传递给连接到曲轴的活塞(未示出)，以产生旋转输出。燃烧由感应驱动的燃烧启动器启动，所述感应驱动的燃烧启动器总体上由附图标记18表示，将在下文详细讨论。然而，为了该前文讨论，燃烧启动器18包括一系列边缘20，所述边缘20连续延伸通过该室10的选定区域。燃烧启动边缘20具有中心部分22和24，中心部分22和24分别围绕进气阀14和排气阀16弯曲。中心部分22和24连接到半圆形边缘26和28。应当注意，在图1A中，燃烧启动装置18延伸经过燃烧室10的显著区域。

图1B示出了根据本发明的另一燃烧启动器18a的示例，所述燃烧启动器18a相对于图1A所示的燃烧室配置来设置。启动器18a的边缘形状已经从图1A所示的那样变化，且后缀“a”用于表示类似地设置和/或起作用的部分。圆形边缘26和28仍然相同。

图2示出了燃烧启动装置的进一步细化，燃烧启动装置总体上由附图标记30表示，具有连续的曲线边缘32，边缘32延伸经过燃烧室10的更大区域。因而，燃烧过程没有点式点火源和由此引起的燃烧过程的不可预测性。这允许开发和使用高于当量比(14.7比1)的空气/燃料比来实现显著增加的部分节气门效率。此外，该技术允许容易并入均质充气压缩点火发动机。应当清楚，可以采用点火启动装置18、18a和30的许多不同的配置，以适合特定燃烧室几何形状。

图3示出了根据本发明的可能的燃烧启动器18和18a之一的截面配置。燃烧启动器18和18a各包括总体上由附图标记34表示的电极。应当注意的是，可以采用多个原理来增加电极34被加热的效率和速度。电极34被安装成突起到气缸盖12下面并进入燃烧室10中。如本文所示，电极34在相对薄的壁结构中包括例如400系列不锈钢。选择这种不锈钢是因为它比其它材料相对便宜，且能够经历数亿次热力学加热和冷却循环，同时仍保持其结构整体性。本领域技术人员应当清楚，可以采用其它材料来用于这种目的，例如，铂和钯或其它合金化合物。

电极34形成为带有会聚的侧壁36和38，侧壁36和38终止于末端40和42，末端40和42产生最大的发热和热密度。末端40和42由中心部分44相互连接。末端40和42预期具有最小的表面面积，带有暴露到燃烧室10的尖角。本领域技术人员应当清楚，可以采用如图1A，1B和2所示的单个末端或可以采用多个末端，以根据需要进一步增加表面面积。电极34由热隔离件46保持在气缸盖12内。电极34延伸到壳体48中，壳体48除了集中磁通量之外还安装电极34。用于壳体的优选材料称为Fluxtrol，包括由磁性粉状金属和介电粘合剂制成的软磁复合物。本领域技术人员应当清楚，可以采用其它材料来用于该目的。实际上，壳体48所做的就是使磁通量集中通过电极34。这用来使得电极加热的速率最大化且使得气缸盖12的残余感应加热量最小化。

优选由铜制成的电流传导杆52容纳在壳体48的室50中。电绝缘材料54设置在杆52和电极34之间。通过杆52以适合在电极34内产生显著升温的频率感应电流。所述频率可以在100到450kHz之间的范围内，优选在250到450kHz，但是其它频率是合适的。由于较高的频率，在杆52中感应表面比电流，使得沿电极的尖边缘的温度快速升高，从而可以在快达.015毫秒内达到工作温度。

通过杆52的电流由合适的电气系统产生，所述电气系统未示出以简化并集中于理解本发明。本领域技术人员应当清楚，可以采用在感应加热领域已知的可用高频电流发生器来用于该目的。

在燃烧15％的汽油和85％的乙醇的燃料时，在广阔的表面面积上启动燃烧的能力是尤其有益的，因为较慢的火焰前锋需要点式源点火装置的定时显著提前。在燃烧室的广阔的面积上启动燃烧的能力允许较慢的点火提前和更加可预测的燃烧。

电极34的结构及其在气缸盖12中的设置可以采用许多不同形式。然而，某些元件是必需的。例如，导电材料需要从电极材料电绝缘，电极本身需要从周围的燃烧室热隔离，且最终，由以高频通过导体的经过电流产生的磁场应当被引导和集中于电极。关于热隔离，可以在盖和电极结构之间采用绝缘材料。通过使用穿过或靠近导电元件的冷却通道来提供导电材料的主动冷却也是必要和合适的。

图1A，1B，2和3所示的结构示出了感应驱动的点火系统，其中，电极和电导体设置在发动机的不移动结构上。在这些设置中，点火事件的正时通过外部控制系统电子驱动。图4，5和6所示的设置具有这种设计，其中电传导件和电极在两个独立的部件上形成，即盖结构和活塞头。该设计对于以大致恒定的条件运行的发动机(如混合驱动车辆或发动机组中的发动机)来说是尤其有益的。

在图4的设置中，盖60具有从其延伸的圆柱形室62，活塞64设置在室62中，以往复运动。活塞64具有肘销66，用于枢接(journal)连接杆(未示出)，以将活塞66的往复运动转换为曲轴输出端的旋转运动。

盖60具有导电元件68，高频电压通过所述导电元件68，如图3的元件52那样。此外，导电元件68从盖60的其它元件电绝缘和热隔离。电绝缘和热隔离可以采用图3所示的形式。可以采用合适的壳体来将磁场引导到延伸到气缸62内的区域。如图4所示，导电元件68设置在突起到室62中的壳体71内。

活塞64在其头72上具有多个升高元件70。升高元件70与用于导电元件68的壳体71相对应，壳体71突起到气缸中，使得在活塞64和盖60之间的最接近的潜在接触点在用于导电元件68的壳体71和升高元件70之间。如图1和2所示，升高元件70可以多个几何形状图案中的任何一个来设置，以提供合适的散布式燃烧启动器。高频交流电压通过元件68产生，在升高元件70靠近时，它们通过感应加热而被加热，从而提供散布式加热源来启动燃烧。通常，在活塞头72移动到在导电元件68和升高元件70之间大约有1mm的位置时，元件70被加热。虽然这限制了点火正时的可变性，但是这对于具有大致恒定的运行条件的发动机(如发动机组或混合驱动车辆中的发动机)来说是合适的和可接受的。图4的设计给任何散热提供了附加的机会，因为元件70从盖断开且在活塞上。

图5和6示出了图4所示的可选配置。在图5中，活塞74在气缸76中可移动，以相对于盖78形成燃烧室。活塞74是往复式的，从而它通过肘销80将线性移动传递给曲轴(未示出)，以产生旋转输出。本领域技术人员应当清楚，进气阀和排气阀可以设置在盖78中，以允许可燃烧混合物进入和这样点火的混合物排出。活塞74具有多个凹槽82，所述凹槽82终止于相对尖的边缘84和86。盖和气缸76适合于接收线圈88，当活塞74处于或接近上止点时，线圈88与尖边缘84和86成直线地延伸通过凹槽82。如图6所示的电线89连接到总体上由附图标记90表示的电能源。这可以是以约300kHz提供高频电流给线圈88的电源。如图6所示，线圈88具有延伸通过凹槽82的连续迂回长度，以与所述轮廓匹配，从而与尖边缘84和86对齐。有合适的绝缘支撑件来保持线圈88与凹槽82的尖边缘84和86对齐。应当注意的是，该系统(如图4的系统)取决于活塞相对于盖78的物理位置。因而，该配置对于具有相对恒定的工作条件的发动机系统(如混合动力车辆中的发动机系统)来说是合适的。该系统使用活塞顶部作为电磁负载，且在该环境中，活塞需要具有含铁部件，使得它将对高频电流起反应。这提供了简单的线圈几何形状和没有外部定时系统的益处。

图7示出了可选线圈图案，其中，总体上由附图标记92表示的线圈具有以直角彼此相交的电线栅格工件94和96。电源98给电线提供电流。例如，电源98可在约2.5kW功率水平以基于约300kHz的高频提供电流。如前文提到的，频率可以在100到450kHz之间的范围内，优选在250到450kHz，但是其它频率是合适的。在该实施例中，活塞头或顶部将具有一系列栅格工件凹槽，以在活塞处于或接近上止点时提供合适的相对靠近的间隙。

图8和9示出了线圈的又一变型，线圈是自持的，且能够产生结合图1-4讨论表示的快速升温。图8和9示出了总体上由附图标记100表示的线圈组件，所述线圈组件100具有导体102、环形电绝缘件104、和有助于磁性负载的护套106。这能够从具有磁性的合适材料制成。如图9所示，护套106的截面具有尖脊部108，尖脊部108相对于导体102大体平行延伸。在此情况下，当高频电流通过导体102时，尖边缘108将在接通循环期间发热，从而促进燃烧。这种装置可以用于混合动力车辆中，在混合动力车辆中具有带有多个存储能量源的相对恒定的RPM发动机。

图10-13示出了与图6的线圈88使用的可选活塞头74配置。如图10，11A和11B所示，多个高脊部112和多个低脊部114在活塞头72中铸造而成。类似于图5所示的活塞设计，高脊部112和低脊部114的设置使得线圈88将在活塞74处于或接近上止点时进入凹槽110。如图所示，成角度的脊部116和118将高脊部112和低脊部114连接。当电流提供给线圈88且活塞74接近上止点时，有质量块间歇性暴露给磁通场。该间歇性暴露导致比用恒定脊部设计更快的加热。本领域技术人员应当理解，增加的加热是由于电磁场密度集中于活塞头74中存在的边缘附近，从而导致在边缘处更大的电流密度。

相同的原理适用于图12和13所示的实施例。在该实施例中，取代交替的高和低脊部，升高目标物120铸造到活塞74的活塞头72中。当升高目标物120接近线圈88时，升高目标物120被加热且在获得需要的温度时启动燃烧。通过在活塞头72上铸造多个升高目标物120，实现了多个点火源燃烧。也可以想到，多个高频交流电压元件可以安装在燃烧室中，以使得燃烧室中到点火源的距离最小化。

图14-15示出了可能铸造在活塞74顶表面中的特征的又一实施例。在该实施例中，一系列升高脊部130构造成在活塞74处于或接近上止点时骑跨线圈88。如图所示，升高脊部130相对于线圈88彼此偏置。虽然图15中示出了完全偏置的设计，但是本领域技术人员应当理解，各种偏置是可能的。取决于特定加热和期望定时，可以寻求不同的偏置。

在图14中也示出了升高脊部130具有平行于线圈88的侧表面132和134。此外，升高脊部130也具有锥形边缘136和138，从而增加了进入电场的边缘表面的数量。应当注意，图14中所示的升高脊部130没有相对于活塞74按比例绘制。脊部130的尺寸被放大，以清楚地示出锥形设计。图16示出了可以并入升高脊部130设计的其它特征。在该实施例中，孔140设置在升高脊部130的中心，从而将更多的边缘并入升高脊部130中。这些边缘的目的是利于更快的加热。虽然锥形边缘136和138以及孔140是所示的唯一配置，但是其它配置是可以想到的且在本发明精神内。应当清楚，图10-16所示的实施例使用铸造到活塞74顶部的部件特征作为电磁负载，在该环境中，所述特征需要具有含铁部件，使得它们能够对由提供给线圈88的高频电流产生的电磁场起反应。

图17示出了具有椭圆形形状的活塞150。这种配置需要使用更长的线性磁性元件155。活塞150的椭圆形形状使得燃烧室和磁性元件155之间的距离最小化。此外，椭圆形形状在燃烧室中产生较大的压缩面积，从而导致较慢燃烧的燃料被使用，尽管它们较慢的火焰前锋传播特性。

感应加热的其它使用也可以并入内燃机中。图18-20示出了这种可选使用。通常，电热塞在寒冷天气条件中用于柴油发动机中以加热发动机本体。然而，可以并入感应加热来加热活塞表面和环绕燃烧室的表面，使得在活塞上升冲程中产生的压缩热能够燃烧燃料。如图18所示，导电元件160由加热元件165环绕。当电流通过导电元件160感应时，在加热元件165中产生显著的升温。井部170设置在活塞74的上表面中。井部170适于在活塞74处于或接近上止点时接收导电元件160和加热元件165组合。通过使用感应加热来取代电阻元件，可以获得明显更快的加热时间，从而允许柴油发动机更快地启动，且对气缸体和气缸盖产生较少的损害。

图19-20示出了图18的配置的可选实施例。在该实施例中，井部180设置在活塞74的上表面中，且井部170适于在活塞74处于或接近上止点时接收导电元件160。加热衬垫185安置在井部180内。加热衬垫185具有限定多个加热凸台186的弯曲内表面。凹进区域187靠近加热凸台186。在该上下文中，加热衬垫185具有含铁部件，使得它将对提供给导电元件160的高频电流起反应。当高频电流经过导电元件160且活塞74接近上止点时，加热衬垫185对所产生的电磁场起反应，从而导致显著的升温。

导电环形元件161也在图19-20中示出。导电环形元件161连同导电元件160一起描述，仅用于说明目的。优选的是，导电元件160或导电环形元件161之一被使用，而不是同时使用。导电环形元件161类似于上述其它实施例操作。当使用导电环形元件161时，活塞74头需要具有含铁部件，因为活塞74头与导电环形元件161起反应。在该实施例中，在活塞74处于或接近上止点时，由于从导电环形元件161产生的电磁场感应表面电流，活塞74开始加热。在图18-20所示的实施例中，冷柴油发动机的几乎瞬时启动是可能的。

感应加热的使用已经应用了多年，以获得工业部件的快速加热，从而用于随后处理和热处理功能。这种系统的属性之一是它能够在极短的时间段内升高选定部件的温度。第二属性是能量和电流仅在靠近电磁负载的区域中发生。

如前文所述，本发明通过感应加热而采用材料的极快加热，以在燃烧室内产生一系列受控热位置，从而在整个燃烧室中提供均匀的燃烧启动。

虽然已经在附图和前述说明中图示和描述了本发明的优选实施例，但是优选实施例被认为是说明性的而不是限制性的，应当理解的是，期望保护落入本发明精神内的所有变化和变型。

Claims (6)

1.一种与功率源结合用于往复式内燃机内的感应驱动的点火系统，所述内燃机具有气缸盖和燃烧室，所述感应驱动的点火系统包括：

环绕电极的壳体，所述壳体将所述电极安装到所述气缸盖，所述电极具有终止于所述燃烧室内的电极末端；

设置在所述壳体中的导电元件，所述导电元件电连接到所述功率源；

设置在所述电极和所述导电元件之间的电绝缘层；和

设置在所述电极和所述气缸盖之间的热隔离层，其中，当所述功率源提供电流给所述导电元件时，所述电极与所述导电元件电相互作用。

2.一种与功率源结合用于往复式内燃机内的感应驱动的点火系统，所述内燃机具有活塞、气缸盖、气缸室和燃烧室，所述感应驱动的点火系统包括：

突起到所述燃烧室中的至少一个气缸盖壳体；

设置在所述至少一个气缸盖壳体中的至少一个导电元件，所述至少一个导电元件电连接到所述功率源；和

设置在所述活塞的上表面上的至少一个升高元件，所述至少一个升高元件与所述至少一个气缸盖壳体相对应，其中，当所述功率源提供电流给所述至少一个导电元件且所述至少一个升高元件移动接近所述至少一个导电元件时，所述至少一个升高元件与所述至少一个导电元件电相互作用。

3.一种与功率源结合用于往复式内燃机内的感应驱动的点火系统，所述内燃机具有活塞、气缸盖、气缸室和燃烧室，所述感应驱动的点火系统包括：

设置在所述燃烧室中的导电线圈，所述导电线圈电连接到所述功率源；和

设置在所述活塞的上表面上的至少一个含铁元件，所述至少一个含铁元件与所述导电线圈的形状相对应，其中，当所述功率源提供电流给所述导电线圈且所述至少一个含铁元件接近所述导电线圈时，所述活塞的所述至少一个含铁元件与所述导电线圈电相互作用。

4.一种用于往复式内燃机内的感应驱动的点火系统，所述内燃机具有燃烧室，所述感应驱动的点火系统包括：

设置在所述燃烧室中的导电元件，所述导电元件电连接到功率源；

环绕所述导电元件的电绝缘层；和

环绕所述电绝缘层的护套，其中，当所述功率源提供电流给所述导电元件时，所述护套对从所述导电元件发出的电磁场起反应。

5.一种用于往复式内燃机内的感应驱动的发动机加热系统，所述内燃机具有活塞、气缸盖和燃烧室，所述感应驱动的发动机加热系统包括：

设置在所述燃烧室中的导电元件，所述导电元件连接到功率源，所述导电元件具有远端部；和

环绕所述导电元件的所述远端部的加热元件，其中，当所述功率源提供电流给所述导电元件时，所述加热元件与所述导电元件电热相互作用。

6.一种用于往复式内燃机内的感应驱动的发动机加热系统，所述内燃机具有活塞、气缸盖和燃烧室，所述感应驱动的发动机加热系统包括：

设置在所述燃烧室中的导电元件，所述导电元件连接到功率源；

设置在所述活塞上部的井部；和

设置在所述井部中的加热衬垫，所述井部和所述加热衬垫构造和设置成接收所述导电元件，其中，当所述功率源提供电流给所述导电元件时，所述加热衬垫与所述导电元件电热相互作用。

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