CN105358803B - 热保持元件、包括热保持元件的内燃发动机及其改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热保持元件（20），该元件构造成被设置在内燃发动机的头部（11）与主燃烧室（18）之间，将发动机的燃烧室（18）布置在头部（11）与往复式活塞（54）之间。热保持元件（20）构造成减少从主燃烧室（18）进入发动机头部（11）的热传递。热保持元件（20）是联接到头部（11）的自支撑结构，热保持元件（20）包括形状大体上对应于主燃烧室（18）的面向头部（45）的一部分的形状的面向头部部分（43）。

Description

热保持元件、包括热保持元件的内燃发动机及其改进方法

技术领域

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

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泵送天然气达100多年。

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US 2,514,287、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US 2010/0319655。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 Satisfy 1/2g/BHP-HR NOx”，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。

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。

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NOx、未燃烧烃类和过多的CO；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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Cp×p（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。

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（COV）（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（CO）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。

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：在发动机头部内部的预燃烧室，该预燃烧室具有一个空间，给该预燃烧室提供二次空气/燃料的充量；以及在预燃烧室空间内部的第一火花点火器；经由射流孔与主燃烧室相连通的预燃烧室空间，经过该射流孔将点燃的二次充量的燃烧火炬或射流排放入在发动机的各燃烧循环中已被压缩或者正在被压缩的主充量中以便点燃主燃烧室中的各主充量，并且任选地具有在主燃烧室中的第二火花点火器，该第二火花点火器至少是用于通过以下方式来促进发动机的启动：

通过将反应室和用于射流孔的多个火焰熄灭反应室排放通道加以更换而改进预燃烧室；所述反应室通道被设置在将反应室闭合的端盖处并且具有直径、尖锐的进入和离开边缘、是通道直径的0.9至1.6倍并且在进入和离开方向上使火焰锋面熄灭的长度、是在最小容积Vmin（其中活塞在上止点（TDC））下主燃烧室容积的0.02至0.03倍的总复合截面积；

将反应室的容积设定为使得它是在TDC处的主燃烧室容积的2-3%；

在各燃烧循环中，使用在反应室中所产生的并且经过排放通道无火焰地排放的火花点燃的、部分燃烧的、二次充量的高能自由基而使发动机工作，从而导致在发动机启动之后各主充量的定时自动点火；

提供远离发动机结构再生式热保持器元件和在发动机头部内部的第二火花点火器；该发动机头部通过减慢从主燃烧室进入发动机结构的热传递，而保持用于传递至下一次燃烧循环中的主进入充量的各燃烧循环的燃烧热；

任选地提供远离在发动机头部区中的第二火花点火器的辅助热源，并且至少在发动机启动期间和冷运行条件下在发动机的各燃烧循环中操作该辅助热源以便将各主充量加热；和

以等于1.0至2.0的主燃烧室中的过量的空气/燃料比（λ）使发动机工作。

在结构上，在远离通道的端盖中设置火焰熄灭通道，该端盖将反应室与主燃烧室之间的连通闭合。端盖也构造成具有大体上相当于根据产量或径向燃料物料所设计的反应室的期望容积的内部容积。利用现有发动机的原来预燃烧点火器组件的基本结构和现有点火器的端部的切断并且用排放孔代替端盖，因此能够以最小的成本和复杂性实现燃烧室的改进。远离端盖的现有点火器的外部构造与现有点火器的构造一致，因此在不修改发动机头部或发动机缸体的情况下简单地用新的反应室和端盖来代替现有点火器。

第二火花点火器可直接地连接到热保持器元件，从而导致从第二火花点火器到热保持器元件的热传递。可将热保持器元件嵌入发动机头部中，并且在发动机启动之前在热保持器元件与头部之间具有空气间隙，并且由于热保持器元件的膨胀和收缩因而间隙的尺寸被布置成基于发动机启动之后的主燃烧室温度而改变，因此热保持器元件与头部之间的热传递速率作为空气间隙大小的函数而改变，在一些发动机运行状态下可将该空气间隙的大小减小到零。

可提供与主燃烧室紧密相邻或者被主燃烧室加热的至少一个辅助微燃烧室，这种微燃烧室经由至少一个微燃烧室通路与主燃烧室相连通并且经由微燃烧室通路接收在各燃烧循环期间被加热的燃烧产物，并且在各随后的发动机各燃烧循环的进气事件期间经过该微燃烧室通路将来源于燃烧产物的热自由基排放入主燃烧室，由此用发动机第一燃烧循环之后的自由基来补充各新鲜的主充量。

基于以下的描述和附图，用于改进往复式活塞内燃发动机主燃烧室中的启动和操作性燃烧的方法的实施例及所形成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善往复式活塞内燃发动机主燃烧室中的启动和操作性燃烧的方法的范围以及所形成的改进发动机的实施例，相反仅仅提供示例性实施例以便于理解。

本公开的另一方面是关于一种适合于采用上述步骤的内燃发动机；该发动机包括：缸体、在缸体中的一个或多个往复式活塞、流体冷却的头部、由在各活塞上方的缸体和头部所限定的主燃烧室；各主燃烧室部是由具有所选择头部室形状的头部所限定，并且在一个实施例中期望的热保持器优选地包括具体地被固定在头部与各自活塞之间的头部中的自支撑结构，热保持器具有面向各自活塞的至少一个前表面和面向头部的后表面并且至少部分地大体上符合头部室的形状，至少一部分的后表面与头部间隔以便限定在发动机工作之前的间隙。

热保持器优选地是由一种材料构成并且构造成使得在发动机工作期间热保持器作为燃烧热的函数而膨胀以减小间隙，并由此至少作为在发动机工作期间燃烧热的函数而提高热保持器与水冷却头部之间的热传递速率。这种发动机中的间隙减小可延伸至零。头部和热保持器优选地也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、以及头部和热保持器的热传递系数，并且热保持器是由具有至少以下的一种的材料所构成：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。

从热保持器中以不同方式和速率将燃烧热从各燃烧循环传递或传导进入发动机缸体和头部的方面来讲，采用前述构造的热保持器形成所谓的“热分层再生式燃烧室”，其中较低的温度出现在发动机的头部与缸体的交汇处附近或者在燃烧室下部的附近，其中较高的温度出现在与经冷却发动机头部相间隔的热保持器的中部和顶部，至少直到热保持器已膨胀与头部接触，在该点间隔间隙将会是零。因此，燃烧室的中部和顶部将会在高于燃烧室下部的温度下起作用。由此，为发动机设计者提供一个设计工具，该设计工具通过设计热保持元件（包括构成热保持元件的材料和间隙）而调节燃烧室的工作温度从而影响稀燃的特性，因此可以形成定制的热分层再生式燃烧室，该燃烧室将可用于控制发动机的燃烧循环中的稀燃事件。

在发动机中，可在各主燃烧室中设置火花点火器，如上所述，优选地直接地连接到热保持器。此外，预定的发动机将是往复式活塞、水冷却、二冲程、直接喷射天然气燃料稀燃发动机；该发动机通常包括在发动机的头部处与各主燃烧室相邻的具有空间的预燃烧室；在发动机的各燃烧循环期间，预燃烧室被布置成在其空间中接收二次空气/燃料的充量，在预燃烧室中的火花点火器布置成以与发动机燃烧循环的定时关系周期性地点火。预燃烧室将经由一个或多个射流孔或端口与各自的主燃烧室相连通，由火花点火器点燃的二次充量的燃烧火焰射流或者由二次充量在预燃烧室中的部分燃烧所产生的高能自由基经过该射流孔或端口被周期性地排放入主充量，该主充量在发动机的各燃烧循环中已被或者正在被压缩以便点燃主燃烧室中的各主要稀充量。

基于以下的描述和附图，用于对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或形成改进发动机及其部件的方法的范围，相反仅仅提供示例性实施例以便于理解。

附图说明

考虑以下的描述、所附权利要求和附图，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，在附图中：

图1是现有技术的往复式活塞I.C.发动机的燃烧室的示意性剖视图，该燃烧室具有示例性的周围的发动机头部区。

图2示出了具有用于实施本发明的各种元件的图1的燃烧室。

图3和图4分别示出了具有排放通道或孔口的反应室盖的透视图和沿直线4-4所截取的剖视图。

图5示出了图2的燃烧室的一个变型。

图6是另一个具有安装在其中的热保持器的一个实施例的、示例性二冲程、直接喷射、水冷却、天然气稀燃往复式活塞发动机的燃烧室的示意性剖视图。

图7是直接连接到热保持器的火花点火器的详细视图。

图8a和图8b示出了具有对应于主燃烧室的面向头部部的一部分的形状的热保持器的面向头部部分的形状的一个实施例。

图9示出了热分层再生式燃室的一个实例。

图10示出了减小的火花点火能量的一个实例。

应当指出的是，附图不必按比例绘制，相反是为了更好地理解其部件，并非意图限制范围，相反提供示例性的说明。还应当指出的是附图是用于说明用于改进或形成改进的发动机及其部件的方法的示例性实施例，而不是以任何方式限制根据本公开的用于改进或形成改进的发动机及其部件的方法的结构或构造。

具体实施方式

参照图1，图中示意性地示出了已知发动机（具体地最初由Cooper-Bessemer公司制造的传统整体发动机-压缩机发动机）的水冷却头部结构11中的现有的燃烧室10，该燃烧室10是用于经过分配管线泵送天然气，这种发动机描述于上面的背景技术一节。这种发动机的上缸体部说明并描述于公开的国际专利申请第PCT/US2009/035771号（以WO 2009/114327 A1公布）、和美国专利申请第US 2012/0118262 A1号，这些专利申请的内容以参考的方式并入本文中，用于描述这种发动机的上缸体结构和基本头部装置。

传统的Cooper-Bessemer传统发动机是一种大排量、二冲程、天然气燃烧涡轮增压发动机，其中各充量的空气是由当活塞到达其底部位置时打开的空气入口端口（未图示）所提供，并且气体燃料是由位于燃烧室10顶部的燃料喷射器12直接喷射入燃烧室。燃烧产物的排气经过也位于气缸壁中与活塞的底部位置相邻的位置的排气出口端口（未图示）。通过使用预燃烧室14来点燃较小的浓充量混合物而完成各空气/燃料充量的点火，所述浓充量混合物经由射流孔16以射流火焰或火炬的形式被排放进入主燃烧室10中以点燃已被容许进入主燃烧室10的充量。

需要预燃烧室14和火炬点火的方案，因为在这种发动机中燃烧是在稀燃条件下发生，其中另一种点火装置（诸如火花点火器）将会可信任地点燃各充量，从而导致低效率的工作和不希望的排气排放。另外，由于天然气燃料的燃烧特性，因而这种发动机的燃烧室的温度倾向于低于用于稳定、均匀点火和燃烧的最佳温度，从而导致产生机械应力和不期望的排气排放以及峰值点火压力正时的变动的冷启动和运行状态。这种传统发动机也以高马力输出定额、以在300至500范围内的相对较低的RPM、以4–8比1的压缩比而工作，这进一步在稳定、均匀的峰值点火压力和正时、排气排放、冷启动运行和总体平顺运行方面对燃烧的优化带来挑战。由于工况，必须对功率输出通常进行折中以限制排放或者导致发动机在最佳有效功率下运行。

本发明的一个目的是以无需发动机完全拆解的简单有效方式改进这种现有的燃烧室，使用现有的头部结构和燃料输送系统来改善发动机的燃烧特性并且减少不期望的排放（如CO和NOx）。

具体地，根据本发明一个实施例的一个示例性的改进或变型示于图2，其中改进的主燃烧室18具备固体的、大小合适的再生式热保持器20，该热保持器采用自支撑形状插入物的形式，该插入物是以紧密配合关系而设置在位于发动机各气缸中的发动机活塞上方的现有头部燃烧室结构11的内部，从而将改进的燃烧室18限定在热保持器与下方的活塞之间。热保持器20将由如下的材料所构成：具有通过在第一次燃烧事件后使用以前充量的燃烧热将空气/燃料的各新进入充量加热所需的期望热性能。具体地，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的材料将被选择具有低于头部11的热扩散率、高于头部11的热容量和低于头部11的热传递系数中的一个或多个。

例如，假设头部11是由铸铁制成，那么热保持器可以由铝制成。利用铝的热性能，考虑到铝的高热保持性能，在第一次燃烧事件之后的各新充量在点火之前将被加热到比被容许进入现有的现有技术燃烧室10的充量更高的程度。由其它适当材料所制成的热保持器可以用于提供热保持器的热保持和传递性能，从而将主燃烧室的燃烧热维持到期望程度从而实现本发明的优点。

如图2中所示，可将辅助电加热元件22埋在热保持器20中，用于在冷启动状态期间给燃烧室18加热，以促进在预热和稳态运行期间发动机的更容易点火和平顺运行。为加热元件22提供适当的控制和供电（未图示）。任选地，可将加热器设置在头部内部与燃烧室相邻的位置。

另外，可以将微燃烧室24设置在热保持器20的内圆周附接，其中微燃烧室通路26提供燃烧室18与微燃烧室24之间的连通，根据美国专利5,322,042、5,862,788和6,178,942中所描述的微燃烧室设计，这些专利的内容以参考的方式并入本文中。微燃烧室提供燃料自由基，用于增强被容许进入燃烧室18的充量的自动点火或者提供上述美国专利中所描述的益处。特别地，微燃烧室通路26在热保持器20中的位置有利地避免对修改正在被改进以提供微燃烧室的现有发动机的头部或活塞的需要。

对于现有发动机的进一步的可能改进，图1中所示的预燃烧室14是通过使用用于产生燃料自由基物料的反应室并且用在图4和图5中更详细地示出的新的反应室盖元件28来替换具有射流孔16的其端部而进行改进。盖元件28包括在闭合的端壁32中的排放通道30。用径向产生反应室34代替现有技术的预燃烧室14，并且设置预燃烧室火花点火器36从而以与主燃烧室18的燃烧循环的定时关系促进提供给反应室34的单独燃料的部分燃烧反应。如上所述，优选地用构造成精确配合的本发明的反应室来代替现有的点火器，其中先前的点火器利用相同的连接装置所定位，例如螺纹连接，如点火器。在反应室上的新添加的盖28以现有发动机的基本头部结构的最小变更而提供期望的排放孔，这些排放孔是用于在反应室34中所产生的燃料自由基物料。

反应室34的工作原理是根据Mallory的专利U.S.2,148,357以及Goossak的专利GB911,125（1962年）、US 3,092,088、US 3,230,939和US 3,283,751中所描述的原理，正如根据上面对创造性的反应室和排放孔的描述。另外，参考授予Failla等人的美国专利US 4,898,135中的对反应室34工作原理的进一步描述。所有前述专利均以参考的方式并入本文中。

对于具备在活塞上止点（TDC）位置具有规定的主燃烧室容积Vmin的改进的主燃烧室18的示例性发动机而言，示例性的反应室可具有主燃烧室容积Vmin的2–3%的容积。通道30将会分别具有尖锐的进入和离开边缘38、40，并且构造成熄灭任何火焰从而试图通过具有为通道30直径的0.9至1.6倍的长度而传播经过盖排放通道30。盖排放通道的复合的总截面积将会是改进的燃烧室18的容积Vmin的0.02至0.03倍。

改进的主燃烧室18中的充量的点火将会通过在使用反应室火花点火器36的反应室中以与主燃烧室18中的燃烧循环的定时关系首先点燃相对较稀的空气/燃料充量（例如，λ为0.4至0.7）而实现，由此导致将高能燃料自由基从盖排放通道30排放进入主燃烧室18，该自由基与相对较稀的空气/燃料混合物在主燃烧室18（λ为1.0至2.0）发生反应从而根据自由基引起的点火的已知原理而导致充量的自动点火，如前述专利中所描述。

由基而不是上述现有技术的火焰火炬原的使用理使在主燃烧室18中的相对较稀的充量混合物的点火的改进的质量和正时、充量的更平顺燃烧、由于较稀状态的在较低温度下的充量点火、峰值点火压力（PFP）的变异系数（COV）的减小、（正时方式）PFP的位置的降低；和与火花或火焰点火（火焰锋面点火）相比相对于NOx折中特定燃料消耗（SFC）的减少成为可能。

可将热保持器20安装在经改进的燃烧室18中，该燃烧室18具有规定的空气间隙42（参见图5），该空气间隙是在现有头部结构11的热保持器20顶侧与相邻的上侧之间。该间隙进一步阻碍热保持器20之间的热传递，但热传递将由于发动机工作期间热保持器20的膨胀因而作为燃烧室18的热和热保持器20的温度的函数而变化，理论上讲所述膨胀有效地将间隙42的尺寸减小到零。当热保持器20膨胀并抵靠上头部结构11时，当然热保持器将在该区域被冷却，从而导致热保持器收缩从而恢复间隙42，由此提供基于主燃烧室工作温度对热保持器20的温度的自我调节效果。

可将火花点火器44设置在改进的主燃烧室18中，优选地将直接地拧入热保持器20，以便在发动机冷启动期间当把火花点火器用于主燃烧室18的各充量的点火时，使热保持器20的初始加热最大化。

通过将全部或部分的创造性改进用于修改现有的现有技术的传统发动机燃烧室，可克服现有发动机的缺点并且提高工作效率同时减少不希望的排放并且使性能得到改进。研究表明利用该创造性概念的改进，发动机功率可提高大约20%并且用于所获得功率的运行速度可减小大约100 RPM，同时改善CO、NOx和未燃烧HC的排放。利用该创造性的概念，也可更高地实现对各燃烧循环的点火正时的控制。通过提供在燃烧循环之间的PFP正时和PFP的值，发动机将更均匀地工作并且具有较小的循环不规则性，由此提供利用发动机来发电的可能性，这要求具有循环规则性以便获得最佳发电。最重要地，所有改善均可以简化的方式获得，包括仅对现有发动机的头部区进行修改，由此避免代价高和长时间的拆解以及主发动机缸体和所容纳部件的重建。

参考图6中所示的实施例，示出了代表性或示例性的发动机缸体50的垂直横剖面，以使位于往复式活塞54与头部16之间的主燃烧室18暴露。活塞54在缸体50中的气缸58中往复运动，并且在典型的发动机中，多个的这种活塞和气缸将被设置在缸体的内部。活塞通过连杆59而连接到输出曲轴（未图示）并且发动机缸体50和头部16两者通常是液体冷却的，冷却剂经过在头部16和缸体50中的冷却剂通道60循环流动。

附图中所给出的发动机是二循环发动机，其中以常规方式经由与入口端口64相连通的空气入口62提供空气并且经由与排气出口68相连通的排气端口66排放空气，这种发动机是典型的并且对于内燃发动机设计者是已知的。

在此实例中，用于各燃烧充量的燃料、气体燃料（诸如天然气）是通过以与主燃烧室18中各压缩事件的定时关系通过燃料喷射器12的直接喷射而提供，因而在充量的点火下建立适当的空气/燃料比，以便以常规的方式实现正确的点火和燃烧。

对于点火而言，可使用火花点火器44和预燃烧室点火器31两者，其中预燃烧室包括预燃烧室34，将空气/燃料预燃烧充量的浓混合物提供给该预燃烧室（未图示），并且其中利用预燃烧火花点火器36来点燃预燃烧充量。当在主燃烧室18中以与预定燃烧事件的定时关系来点燃预燃烧充量时，将经点燃的预燃烧充量的高能射流经过一个或多个预燃烧室出口孔30排放进入射流，出口孔30提供预燃烧室34与主燃烧室18之间的连通。火焰的高能射流或者燃料的部分燃烧的自由基是用于以常规方式来点燃主燃烧室中的主充量。在这种发动机中的火花点火器44（详见图7）可用于在冷发动机启动期间点燃各充量，或者可在需要这种点火或燃烧增强的执行状态下使用。另外，如前所述，可将预燃烧室省略。

总之，在启动发动机曲轴（未图示）的旋转后的活塞运动迫使空气经由入口端口64进入主燃烧室18，可将该空气增压（涡轮增压或增压）或者自然地吸出或循环，并且将气体燃料经由燃料喷射器12直接喷射入主燃烧室18。预燃烧室34接收空气和燃料的预燃烧充量并且利用预燃烧火花点火器将该充量点燃，从而产生用于主燃烧室的气体的热高射流，现在相应地在主燃烧室18中以与预定的发动机燃烧循环的定时关系而点燃充量。冷却剂循环经过缸体50和头部16以便基于在燃烧室内部的位置来控制这些结构的温度并且固有地控制主燃烧室的温度到不同程度。

将再生式热保持器20设置在发动机的头部16中在头部与下方的活塞之间，因此主燃烧室18现在是由在热保持器20、活塞54和气缸58之间的空间所限定。热保持器构造成形状大体上与主燃烧室的原来头部区一致，但具有在热保持器20与液体冷却头部16之间的所选择的间隙42。热保持器也构造成保留发动机的原来压缩比，尽管如果需要发动机设计者可以利用热保持器来改变压缩比，但简单地通过改变热保持器20的尺寸来增大或减小主燃烧室的容积。

将热保持器安装在头部中作为具有面向头部部分43的自支撑结构，该部分具有大体上对应于主燃烧室的由头部所限定的部分45的形状的形状，并且在发动机工作前具有至少在面向头部部分与头部之间的间隙，如倒转的头部16中所示，在图8a中示出了主燃烧室的面向头部部分45和具有图8b中的面向头部部分43的热保持器20。

在设计热保持器20时将考虑头部的材料和热性能，并且在设计和安装热保持器20时将对以下的考虑因素进行评估或实施。

可以假设，基于头部的材料，头部16具备已知的头部热扩散率、头部热容量和头部热传递系数、可计算的或者来源于已知信息数据的所有热性能。基于这种头部的热性能，再生式热保持器将构造成具有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。

这将导致燃烧热被保持在主燃烧室中，其中热保持器被安装到比未改进的主燃烧室中更大的程度。利用在热保持器20与头部16之间所设置的间隙42，具有热保持器的改进的主燃烧室也将被在燃烧室的下部与上部之间进行热分层，其中燃烧室的相对较冷部分位于其下部而较热部则位于其顶部的附近。此特征使发动机设计者能够考虑主燃烧室中空气/燃料充量的点火和燃烧性能、从预燃烧室中排放出的预燃烧射流的方向以及其它作用可以是理想地用于提高在连续的燃烧循环中的发动机燃烧效率或峰值点火压力的均匀性。由于热保持器20的膨胀和收缩因而作为主燃烧室18内部的工作温度的函数而改变间隙42，由此提供对主燃烧室18的工作温度的另一个控制功能。当然，当间隙42为零时，液体冷却的头部16在其上端与热保持器接触并且在该区域使热保持器冷却，最终导致热保持器的收缩从而重新打开间隙42，其中循环基于发动机的工况而重复。

尽管热保持器在本文中被描述为具备水冷却的头部，但并不局限于使用于水冷却的头部，但可将该热保持器设置在发动机中，包括利用其它液体冷却的发动机或空气冷却的头部，或者通过其它各种机构或者甚至用未冷却的发动机进行冷却的头部。

采用前述构造的热保持器形成所谓的“热分层的再生式燃烧室”，其中热保持器以不同的方式和速率将燃烧热从各燃烧循环传递或传导进入发动机缸体和头部。如图9中所示，较低温度出现在发动机的头部与缸体的交汇处、或者燃烧室下部的附接，例如在位于热保持器20的凸缘46上的位置A处。出现在热保持器20的中部和顶部的较高温度可远离经冷却的发动机头部，至少直到热保持器已膨胀并与头部接触，在此点间隔间隙将会是零。因此，例如在位置B和燃烧室的顶部在位置D的中间部是在高于燃烧室下部的温度下起作用。由此，为发动机设计者提供一种用于调节燃烧室工作温度的设计工具，以便通过设计热保持元件而影响稀燃的特性，包括以可以制造定制的热分层再生式燃烧室的方式来构成热保持元件的材料和间隙，这可用于控制在发动机燃烧循环中的稀燃事件。

在发动机中，可在各主燃烧室中设置火花点火器44，如前所述，优选地将火花点火器44直接地连接到热保持器。例如，如图9中所示，火花点火器44可位于位置C处。

在一个实例中，在天然气燃料燃烧内燃发动机工作期间，将热电偶放置在位置A、B、C和D处，如图9中所示。在工作期间，热电偶测量的温度为103℃（在位置A）、294℃（在位置B）、229℃（在位置C）、和210℃（在位置D）。

此外，预定的发动机将是往复式活塞、水冷却、二冲程、直接喷射天然气燃料稀燃发动机，该发动机通常包括在发动机头部处与各主燃烧室相邻的具有空间的预燃烧室34，预燃烧室布置成在发动机的各燃烧循环期间在其空间中接收二次空气/燃料的充量，在预燃烧室中的火花点火器布置成以与发动机燃烧循环的定时关系而周期性地点火。预燃烧室将经由一个或多个射流孔或端口30与各自的主燃烧室相连通，经过射流孔或端口30将由火花点火器点燃的二次充量的燃烧火焰射流或者由在预燃烧室中二次充量的部分燃烧中所形成的高能自由基周期性地排放进入在发动机的各燃烧循环中已被压缩或者正在被压缩的主充量，从而点燃主燃烧室中的各主要的稀充量。

根据本文中所描述实施例进行改进或制造的发动机将在较低的排气气体NOx、较低的熄火速率、较低的燃料消耗、在发动机工作范围内的较低的峰值点火压力位置的变异系数（COV）、在发动机工作范围内的较低的COV平均指示有效压力（IMEP）下运行。通过热分层的再生式燃烧室对燃烧热的热传递的更好的控制和利用导致这种发动机的上述特性。

在一个示例性的发动机中，头部16可以由铸铁制成，并且再生式热保持器20可以由自支撑的机械加工或型钢制成，其中花点火器44例如被直接拧入热保持器20，如图7的细节部分中所示。燃料喷射器12同样可以直接拧入热保持器20，如图6中所示。视需要，热保持器20将会被密封，以防止由于直接金属-金属接触或适当衬垫材料所造成的泄漏。热保持器20的厚度将通过基于头部16和热保持器20的材料以及燃烧室工作条件、充量中所使用的燃料和用于任何给定发动机的其它相关参数进行适当的计算和迭代而确定，使得头部16和热保持器20的热扩散率、热容、热传递系数将会适合于实现上述目的。

尽管热保持器20可由机械加工或型钢制成，如上所述，但热保持器20也可由经机械加工、铸造、成形、或成型的各种钢或者其它金属、合金、或材料制成。例如，热保持器20可由铝或者铝合金、钛、镁合金、或者包括铬、镍、铁、钼、钴、或钨中的至少一个的合金所制成。

本文中所描述的实施例当应用于二冲程、往复式活塞、天然气稀燃、整体式的发动机-压缩机时具有特定的优点，如由传统的Cooper-Bessemer发动机（例如，Cooper-Bessemer型GMV整体式角度气体发动机-压缩机）所例示，该发动机将天然气从气田或储存单元经过输气管压缩并泵送之其它储存站或者最终用户。这种发动机产生可观的马力同时在相对较低的RPM（大约300–500 RPM）和4–8比1的压缩比下工作。这些所谓的“传统”发动机的缺点是难以启动和被冷启动时的稳定运行，以小于期望的峰值点火压力变化下运行，由于这种工作特性而遭受轴承磨损，由于不均匀的充量混合物变动和加热所造成的不良点火、及不期望的NOx和CO排放。这些发动机利用具有点火器的预燃烧室和从预燃烧室中排放出的热燃烧射流来点燃各充量，并且在启动后无需来自主燃烧室中的火花点火器的帮助。

尽管本文中所公开的各种实施例和实例描述了将热保持器20使用于天然气燃料燃烧发动机，但热保持器20并不局限于天然气燃料燃烧发动机，也可用使用其它气体燃料的发动机，包括含有各种量的甲烷、高甲烷天然气、乙烷。丙烷、或者这些或其它气体燃料的混合物的天然气。此外，热保持器20可应用于以其它形式的燃料为燃料的发动机，诸如液体燃料，包括汽油、煤油、柴油燃料、射流A、JP4、JP5、JP8、JP10、甲醇、乙醇、或这些的混合物或者其它液体燃料。

所描述实施例的另一个优点是促进增强的自由基点火（ERI）。ERI是两个概念的组合：再生式热保持元件（RHRE）辅助的自由基点火（RI）、用作由于在二冲程传统发动机中所固有的低压缩比/温度而能够实现动点火所需的气缸内热源的热保持元件。在高温RHRE不存在的情况下，已通过模拟证明了在改进的PCC（MPCC）中所产生的自由基物料不能完全地点燃喷射入燃烧室中的燃料并发生熄火。

排除了产生祸焰锋面的NOx的ERI过程适用于使用改进的自由基产生MPCC的二冲程发动机。为了排除火焰锋面，点火必须在整个燃烧室中开始，这有时被称为燃烧的“容积模式”。在传统发动机的低压缩比的“冷”启动温度下实现此目的要求具备气缸内热源而不是提高的压缩比。基于RHRE的改进的性能已有文件报告具有较大的孔，例如8.5英寸AJAX®牌DP42 NG发动机。

此外，基于RHRE的改进的性能已在小型发动机（SDE）中得到证明，例如也有文件报告具有2.5英寸孔。

再生式热保持元件（RHRE）也已被证明可用于最新水平的发动机，例如在重质燃料的2冲程无人驾驶车辆发动机（UAV）。已制造出RHRE发动机并且进行了测试，获得优异的稳定性、排放和燃料消耗减少。

在RHRE传统发动机中，在火花点火的短暂启动之后（或者在用埋入RHRE中的加热元件进行后期改进之后），RHRE保持来自以前燃烧循环的热并且将其用作对在MPCC中所产生自由基物料的点火辅助，从而实现NG的完全控制的自动点火。

基于多年探索和开发而获知的与二冲程发动机中NG自动点火的实施有关的另一个因素是来这些发动机中的循环的之间排气产物的明显的转移。点火切断后的继续运行归因于残余的排气自由基物料和残余的排气热能。在常规发动机中的模拟研究表明大部分的这些潜在RI物料的排除是发生在二冲程燃烧循环的排气期间。由于ERI，MPCC有助于一部分的这些潜在RI物料的储存，并且使压缩期间它们的从被称为冻结平衡的状态中的重新激活成为可能并且有助于下一个点火事件中的自动点火。

仍然在燃烧室中的剩余的转移物料在下一个压缩循环中也通过在被压缩和RHRE加热时从冻结平衡中重新激活而促进点火过程。因此，RHRE二冲程SI点火的实质是由两个相互关联的步骤所组成。第一步骤是对来自以前燃烧循环的热的保持，第二是利用该热来活化在燃烧中自然产生的重要的残余化学自由基并且以前燃烧事件的膨胀期间淬灭成冻结平衡。这些残留物中的许多残留物将会已被从发动机中排出，作为无RHRE的污染物。相反，在被循环的RHRE热激活成自由基物料时，它们变为点火步骤的一部分，并且使自由基辅助火花点火（RASI）成为可能。以通过实验观察到RASI和所测量的相关的火花点火能量（SIE）较低。在测量SIE和改变燃料/空气比时已观察到RASI，如果达到自由基点火（RI）的阈值则要求SIE下降到零。RASI实验已测量到在自由基辅助火花点火电压中的33%下降同时测量到基线的1%下降，从而导致发动机不稳定。

减小的火花点火能量的一个实例示于图10中，图中示出了在496 RPM处对RHRE的热释放速率和火花点火能量与基线进行比较的AJAX®牌DP42发动机的NG测试。热释放的RHRE最大速率大43%，同时其火花点火能量低90%。这两个特征限定了RHRE的主要特性。如图10中所示，存在火花排放量值中的显著性差异，与使用相同火花塞的基线相比大得多。

虽然将涡轮增压器用于增加空气/燃料的各充量的压力，但作用于轴承和活塞部件上的增加的负荷和燃烧室中的提前点火，尤其是在冷启动期间，减小维修周期与大修之间的发动机工作占空比，并且增加排气流中的NOx排放和未燃烧的烃类。该倾向是通过与最佳正时相比延迟点火的正时（这可以获得最佳功率和经济性）而操作发动机，以便避免这些缺点。

再生式热保持器20在发动机的冷启动条件下产生燃烧室的快速加热，并且无需通过涡轮增压对空气进料进行增压，例如，并且形成能够以较稀空气/燃料比进行点火的充量混合物。然后，可将现有的点火正时延迟，以便获得更大的功率同时维持更加均匀、一致的峰值点火压力位置以及减小的NOx排放。基于上述考虑因素，进一步将燃料消耗进行优化至使得再生式热保持器将使发动机能够在较低的排气CO、NOx下工作，从而获得给定的功率输出。

已探索将热再生元件加入到AJAX®牌发动机的燃烧室中，并且当使用丙烷工作时导致COV（IMEP）显著减小和热传递损失的减小。热再生元件被形成为燃烧室的上部，在活塞的上表面的上方。因此，热再生元件，在此实例中是由整体的材料制成，经过燃烧的火焰并且实现高工作温度。这谢谢标准提供一种将热传递到空气/燃料混合物从而增加火焰中心形成和剩余的空气/燃料混合物的燃烧从而改善COV（IMEP）的独特方法。

热再生元件提供对整个空气/燃料混合物的热传递，尤其是在压缩冲程期间，这在任何瞬间导致充量的分层温度。空气/燃料充量的最高温度紧邻面对空气/燃料充量的热再生元件的表面，如图9中所示。空气/燃料充量的该温度调节作为分层温度的函数而提高火焰速度。有利地，最高的空气/燃料充量温度与在图9的位置C处的火花塞接触。

在稀燃混合物中，COV（IMEP）受到若干元素的（即，混合物制备、旋流）影响，火焰中心的高速率形成是非常重要的并且可以通过模拟进行检测。简而言之，在火花点火事件时，可以作为火花塞附近的初始高空气/燃料温度的函数，而利用火焰锋面速度快速地形成火焰中心。可以基于化学表征/甲烷的稀燃性能，而完全地模拟该过程。火焰中心的快速形成提供了火焰锋面的稳定性、剩余的燃烧事件和结果的COV（IMEP）改善的基础。

在高速率的热释放下实现稀空气/燃料充量的燃烧，这通过气缸压力的变化速率得到证明。是压缩冲程期间热保持元件的热传递的直接结果的瞬间空气/燃料温度，使高速率的热释放成为可能。例如，用于火焰速度的甲烷的特征表明对于由于热再生元件所导致的相对于未改进座式发动机构造的温度的80℃升高，火焰速度以显示提高了50%。因此，在未改进的座式发动机中，其中尚未对空气/燃料充量进行调整，在做功冲程期间的总燃烧时间将较长（由于较低速率的热释放），这导致向气缸壁和头部的较高水平的热传递损失。受控制的方法提高热释放速率是用于改进以甲烷为燃料的发动机的燃烧过程的非常有效的方面。在最新技术的高速率热释放、双燃料、柴油燃烧技术中，传递至冷却剂的热已证明从19%减小至10%并且传递至工作的热已证明增加14%。

当把最高的温度空气/燃料混合物用于使初始火焰中心稳定时，利用热再生元件所实现的温度分层是尤其有利的。在提高的压缩比下尚未能够实现温度分层或者允许座式头部变得过热。这两种方法对于甲烷燃烧是不理想的，因为它们促进不受控制的压缩点火。换句话说，瞬间的温度分层是理想的和高度有效的。

测试和模拟数据表明，RHRE根本地改变气缸中的燃烧过程，从而在没有负面的折中的情况下改进在多个锋面中的发动机性能。这些改进包括但不限于：排放的显著减少，尤其是NOx，甚至同时提高发动机稳定性和燃料经济性；提高的燃料经济性并且不牺牲功率；发动机的较高的功率定额同时符合排放标准，因此减少对其它性能的需要；改进的稀燃过程，消除爆震和熄火；减小发动机磨损和维护成本；减少或排除与改变天然气组成相关的发动机性能问题；允许以比替换低得多的成本对现有的传统整体式发动机全体进行改造（提供除其它排放减少解决方案外的排放，显著地改善长期节约）；并且使现有的发动机设计，可能由于未遵守排放要求而已经中断，当采用RHRE技术时变得再次可行。

又一个优点是改进现有发动机使其利用再生式热保持器的益处而工作可以在不对发动机头部和缸体元件做出重大修改的情况下实现。通常，仅头部必须对容纳再生式热保持器在一些小的方面加以改进同时保留初始的压缩比或者根据需要修改压缩比。

虽然上面描述了改进方法的具体实施例和往复式活塞内燃发动机中的所形成的改进燃烧室，但应当理解的是根据任何具体实施例未必可实现所有的目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到实施例和实例可以实现或优化如本文中所教示的一个优点或一组优点的方式而具体化或实施，并且不必实现如本文中所教示或提示的其它目的或优点。

本领域技术人员将认可各种公开特征的互换性。除了本文中所描述的变动外，本领域技术人员可以将各特征的其它已知的等同物可以组合和匹配以实现公开的方法或者形成根据本公开原理的改进的发动机。

尽管在某些示例性实施例和实例的上下文中公开了本文中所描述的方法和改进的发动机，但本领域技术人员应当理解的是，本公开可将具体公开的实施例延伸至本公开及其明显修改和等同物的其它替代实施例和/或使用。因此，意图是本文中所公开的本公开的范围不应受到上面所描述具体公开实施例的限制。

Claims (42)

1.一种热保持元件（20），其构造成被设置在内燃发动机的主燃烧室（18）与头部（11）之间，所述发动机的所述燃烧室（18）被布置在头部（11）与往复式活塞（54）之间，其中，

所述热保持元件（20）构造成减少从所述主燃烧室（18）进入所述发动机头部（11）的热传递，并且

所述热保持元件（20）是联接到所述头部（11）的自支撑结构，所述热保持元件（20）包括面向头部部分（43），其在形状上大体上对应于所述头部的面向所述主燃烧室（18）的部分（45），

其中，设置所述热保持元件（20）使得在所述热保持元件（20）的所述面向头部部分（43）与所述头部的面向所述主燃烧室（18）的部分（45）之间形成间隙（42），且

其中，所述热保持元件（20）构造成保持由第一燃烧循环的燃烧所产生的热并且将所述热传递至第二燃烧循环的进入的充量。

2.如权利要求1所述的热保持元件（20），其特征在于，所述间隙（42）的尺寸依赖于所述热保持元件（20）的温度而变化。

3.如权利要求1或2所述的热保持元件（20），其特征在于，所述热保持元件（20）与所述头部（11）之间的热传递速率依赖于所述间隙（42）的尺寸而变化，所述间隙（42）的尺寸的变化取决于所述热保持元件（20）的热膨胀和收缩。

4.如权利要求1或2所述的热保持元件（20），其特征在于，允许所述间隙（42）的尺寸减小到零以便提高在发动机工作状态下所述热保持元件（20）与所述头部（11）之间的热传递速率，这会导致所述热保持元件（20）的高加热。

5.如权利要求1或2所述的热保持元件（20），其特征在于，所述热保持元件（20）由使得所述热保持元件（20）具有低于所述头部（11）的热扩散率的热扩散率、所述热保持元件（20）具有大于所述头部（11）的热容的热容、或者所述热保持元件（20）具有低于所述头部（11）的热传递系数的较低热传递系数的材料所构造成。

6.如权利要求1或2所述的热保持元件（20），其特征在于，通过将火花点火器直接地连接到所述热保持元件（20），而允许所述热保持元件（20）与所述火花点火器之间的热传递。

7.一种内燃发动机，包括如权利要求1所述的热保持元件（20）。

8.如权利要求7所述的内燃发动机，其特征在于，所述发动机包括在所述发动机的所述头部（11）处的预燃烧室（31），所述预燃烧室包括反应室（34），所述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（36），所述反应室（34）经由多个排放通道（30）与所述主燃烧室（18）相连通，所述排放通道（30）构造成将来自所述反应室（34）的燃料自由基物料排放进入所述主燃烧室（18），所述燃料自由基物料是从所述二次充量中产生。

9.如权利要求7或8所述的发动机，其特征在于，所述发动机是液体冷却液的、二冲程、直接喷射天然气燃料燃烧发动机。

10.如权利要求7或8所述的发动机，其特征在于，还包括至少一个辅助微室（24），所述辅助微室（24）与所述主燃烧室（18）相邻并且被所述主燃烧室（18）加热，所述辅助微室（24）经由至少一个微室通路（26）与所述主燃烧室（18）相连通，所述辅助微室（24）构造成在第一主充量的燃烧之后用自由基供应第二主充量，所述辅助微室（24）构造成在第一燃烧循环期间经由所述微室通路（26）接收燃烧产物并且在第二燃烧循环期间将来源于所述第一燃烧循环的燃烧产物的热自由基排放入所述主燃烧室（18）。

11.如权利要求10所述的发动机，其特征在于，所述至少一个辅助微室（24）至少部分地形成于所述热保持元件（20）中。

12.如权利要求7或8所述的发动机，其特征在于，还包括在所述发动机的所述头部区中与第二火花点火器（44）分离的辅助热源（22），所述辅助热源（22）构造成加热所述主燃烧室（18）内部的主充量。

13.一种用于改进内燃发动机的方法，所述方法包括：

将如权利要求1或2所述的所述热保持元件（20）设置在所述发动机的所述头部（11）和所述主燃烧室（18）之间。

14.一种用于改进往复式活塞内燃发动机的燃烧室（18）中的燃烧的方法，所述发动机包括布置在头部（11）与往复式活塞（54）之间的主燃烧室（18），所述方法包括：

将热保持元件（20）设置在所述头部（11）和所述主燃烧室（18）之间，所述热保持元件（20）构造成减少从所述主燃烧室（18）进入所述发动机头部（11）的热传递，其中

所述热保持元件（20）是联接到所述头部（11）的自支撑结构，所述热保持元件（20）包括在形状上大体上对应于所述头部的面向所述主燃烧室的部分（45）的面向头部部分（43），

其中，设置所述热保持元件（20）使得在所述热保持元件（20）的所述面向头部部分与所述头部的面向所述主燃烧室（18）的部分（45）之间形成间隙（42），且

其中，所述热保持元件（20）构造成保持由第一燃烧循环的燃烧所产生的热并且将所述热传递至第二燃烧循环的进入的充量。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述间隙（42）的尺寸依赖于所述热保持元件（20）的温度而变化。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述热保持元件（20）与所述头部（11）之间的热传递速率依赖于所述间隙（42）的尺寸而变化。

17.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述间隙（42）尺寸的变化是由于所述热保持元件（20）的热膨胀和收缩。

18.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，允许所述间隙（42）的尺寸减小到零以便在发动机运行状态下提高所述热保持元件（20）与所述头部（11）之间的热传递速率，这会导致所述热保持元件（20）的高加热。

19.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述热保持元件（20）由使得所述热保持元件（20）具有低于所述头部（11）的热扩散率的热扩散率、所述热保持元件（20）具有大于所述头部（11）的热容的热容、或者所述热保持元件（20）具有低于所述头部（11）的热传递系数的较低热传递系数的材料所构造成。

20.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，通过直接地连接到所述热保持元件（20）的火花点火器，而允许所述热保持元件（20）与所述火花点火器之间的热传递。

21.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述发动机是流体冷却的、二冲程、直接喷射，天然气燃料燃烧发动机。

22.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述发动机包括在所述发动机的所述头部（11）处的包括反应室（34）的预燃烧室（31），所述反应室（34）构造成具备空气/燃料的二次充量和第一火花点火器（36），所述反应室（34）经由多个排放通道（30）与所述主燃烧室（18）相连通，所述多个排放通道（30）构造成将来自所述反应室（34）的燃料自由基物料排放入所述主燃烧室（18），所述燃料自由基物料是从所述二次充量中产生。

23.一种包括布置在头部（11）与往复式活塞（54）之间的主燃烧室（18）的内燃发动机，所述发动机包括：设置在所述头部（11）与所述主燃烧室（18）之间的热保持元件（20），所述热保持元件（20）构造成减少从所述主燃烧室（18）进入所述发动机头部（11）的热传递，其中，

所述热保持元件（20）是联接到所述头部（11）的自支撑结构，所述热保持元件（20）包括在形状上大体上对应于所述头部的面向所述主燃烧室（18）的部分（45）的面向头部部分（43），

其中，设置所述热保持元件（20）使得在所述热保持元件（20）的所述面向头部部分（43）与所述头部的面向所述主燃烧室（18）的部分（45）之间形成间隙（42），且

其中，所述热保持元件（20）构造成保持由第一燃烧循环的燃烧所产生的热并且将所述热传递至第二燃烧循环的进入的充量。

24.一种用于改进内燃发动机的主燃烧室（18）中的燃烧的方法，所述发动机包括布置在头部（11）与往复式活塞（54）之间的主燃烧室（18），所述方法包括：

将热保持元件（20）设置在所述头部（11）和所述主燃烧室（18）之间，所述热保持元件（20）构造成减少从所述主燃烧室（18）进入所述发动机头部（11）的热传递；以及

设置包括反应室（34）的预燃烧室（31），所述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（36），所述反应室（34）经由多个排放通道（30）与所述主燃烧室（18）相连通，所述排放通道（30）构造成将燃料自由基物料从所述反应室（34）排放入所述主燃烧室（18），所述燃料自由基物料是从所述二次充量中产生，其中所述热保持元件（20）是联接到所述头部（11）的自支撑结构，所述热保持元件（20）包括在形状上大体上对应于所述头部的面向所述主燃烧室（18）的部分（45）的面向头部部分（43），

其中，设置所述热保持元件（20）使得在所述热保持元件（20）的所述面向头部部分（43）与所述头部的面向所述主燃烧室的部分（45）之间形成间隙（42）。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括提供与所述发动机的所述头部区中的第二火花点火器（44）分离的辅助热源（22），所述辅助热源（22）构造成加热在所述主燃烧室（18）内部的主充量。

26.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述发动机构造成在大约4–8比1的压缩比和大约300至500 RPM的速度下工作。

27.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，将第二火花点火器（44）设置到所述主燃烧室。

28.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，每个所述排放通道（30）是火焰-熄灭通道，所述通道具有是所述通道直径的0.9至1.6倍的长度。

29.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，在最小容积Vmin下所述排放通道（30）的总复合截面积是所述主燃烧室（18）的容积的0.02至0.03倍。

30.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述排放通道（30）的每个通道的离开边缘（38、40）比在进行改进前的所述发动机的射流孔的离开边缘更尖锐。

31.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，在最小容积Vmin下所述反应室（34）的容积为所述主燃烧室（18）的容积的2–3%。

32.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，将所述排放通道（30）设置在所述反应室（34）的端盖（32）中，其与所述通道（30）分隔开而将所述反应室（34）与所述主燃烧室（18）之间的连通闭合。

33.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，通过将火花点火器直接地连接到所述热保持元件（20），而允许所述热保持元件（20）与所述火花点火器之间的热传递。

34.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述间隙（42）的尺寸依赖于所述热保持元件（20）的温度而变化，并且

所述热保持元件（20）与所述头部之间的热传递速率依赖于所述间隙（42）的尺寸而变化。

35.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，还包括提供邻近所述主燃烧室（18）并由所述主燃烧室（18）加热的至少一个辅助微室（24），所述辅助微室（24）经由至少一个微室通路（26）与所述主燃烧室（18）相连通，所述辅助微室（24）构造成在第一主充量的燃烧之后用自由基供应第二主充量，所述辅助微室（24）构造成在第一燃烧循环期间经由所述微室通路（26）接收燃烧产物并且将来源于所述第一燃烧循环的燃烧产物的热自由基经由在第二燃烧循环期间排放进入所述主燃烧室（18）。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述至少一个辅助微室（24）至少部分地形成于所述热保持元件（20）中。

37.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述热保持元件（20）构造成保持由第一燃烧循环的燃烧所产生的热并且将该热传递至第二燃烧循环的进入的充量。

38.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，允许所述间隙（42）的尺寸减小到零以便在发动机运行状态下提高所述热保持元件（20）与所述头部（11）之间的热传递速率，这会导致所述热保持元件（20）的高加热。

39.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述热保持元件（20）由使得所述热保持元件（20）具有低于所述头部的热扩散率的热扩散率、所述热保持元件（20）具有高于所述头部的热容的热容、或者所述热保持元件（20）具有低于所述头部的热传递系数的较低热传递系数的材料所构造成。

40.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述发动机是流体冷却的、二冲程、直接喷射，天然气燃料燃烧发动机。

41.一种包括被布置在头部与往复式活塞之间的主燃烧室（18）的内燃发动机，所述发动机包括：

设置在所述头部与所述主燃烧室（18）之间的热保持元件（20），所述热保持元件（20）构造成减少从所述主燃烧室（18）进入所述发动机头部（11）的热传递；和

包括反应室（34）的预燃烧室（31），所述反应室（34）构造成具备空气/燃料的二次充量和第一火花点火器（36），所述反应室经由多个排放通道（30）与所述主燃烧室（18）相连通，所述排放通道（30）构造成将燃料自由基物料从所述反应室（34）排放进入所述主燃烧室（18），所述燃料自由基物料是从所述二次充量中产生，

其中，所述热保持元件（20）是联接到所述头部的自支撑结构，所述热保持元件（20）包括在形状上大体上对应于所述头部的面向所述主燃烧室的部分（45）的面向头部部分（43），

其中，设置所述热保持元件（20）使得在所述热保持元件（20）的所述面向头部部分（43）与所述头部的面向所述主燃烧室的部分（45）之间设置间隙（42）。

42.如权利要求41所述的发动机，其特征在于，所述发动机是流体冷却的、二冲程、直接喷射的天然气燃料燃烧发动机。