CN105822407B - 采用可控放气预备腔室的点燃系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用可控放气预备腔室的点燃系统。具体地，公开一种与具有燃烧腔室的发动机一起使用的点燃系统。点燃系统可具有被构造成与发动机的燃烧腔室流体连通的预备腔室和通向预备腔室的放气通道。点燃系统还可具有被构造成选择性地允许流体流过放气通道的阀。

Description

采用可控放气预备腔室的点燃系统

技术领域

本发明总体涉及一种点燃系统，并更具体地，涉及一种采用可控放气预备腔室的点燃系统。

背景技术

包括柴油发动机、汽油发动机、气体燃料供能发动机的发动机以及本领域已知的其他发动机点燃或接纳空气/燃料混合物以产生热量。引入发动机的燃烧腔室的燃料可通过火花塞、电热塞或AC/DC点燃源点燃。由此燃烧过程造成的热量和膨胀气体被引导以使活塞移位或涡轮叶片运动，两者可连接到发动机的曲轴。随着活塞移位或涡轮叶片运动，造成曲轴转动。此转动用来直接输出驱动诸如传动装置或发电机的装置，以推进车辆或产生电能。

已经确定的是发动机的燃烧腔室内的良好分布的火焰促进空气/燃料混合物的改善燃烧。改善的燃烧可以表明空气污染和燃料消耗的降低。产生良好分布的燃烧火焰的一种方式是经过预备腔室的使用。预备腔室可以形成发动机的一部分，或者替代地，形成点燃源的一部分(例如火花塞的一部分)。

虽然预备腔室的使用可提供一定性能改善，还会存在缺陷。特别是，流体经过预备腔室的循环可能是不可靠的，造成来自之前燃烧循环的高温残留气体保留在预备腔室内部。这些残留气体会禁止新鲜空气和燃料进入预备腔室以准备下一个循环。在出现这种情况时，下一个循环期间的燃烧会不能适当开始。另外，如果没有充分控制，高温残留气体可对于点燃源来说造成结构损坏。

改进具有预备腔室点燃源的发动机的操作的一种尝试在2010年12月14日授予Maul等人的美国专利No.7,849,830(’830专利)中公开。特别是，’830专利公开具有布置在预备腔室内的点燃电极和连接到电极的供应线的火花塞。管壳体包围供应线，并且放气槽道设置用于将泄漏到管壳体内的燃烧气体连续排放到大气。

虽然’830专利的火花塞由于放气槽道在管壳体内具有较低压力，它还是存在问题。特别是，放气槽道不能净化预备腔室。

本发明的点燃控制系统针对克服以上提出的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。

发明内容

在一个方面，本发明针对一种用于具有燃烧腔室的发动机的点燃系统。点燃系统可包括被构造成与发动机的燃烧腔室流体连通的预备腔室和通向预备腔室的放气通道。点燃系统还可包括被构造成选择性地允许流体流过放气通道的阀。

在另一方面，本发明针对一种用于具有燃烧腔室和与燃烧腔室流体连通的感应系统的发动机的点燃系统。此点燃系统可包括具有被构造成与发动机的燃烧腔室流体连通的预备腔室的火花塞和被构造成从火花塞的预备腔室延伸到发动机的感应系统的放气通道。点燃系统还可包括被构造成选择性允许流体流过放气通道的阀和被构造成调节阀的操作的控制器。

在又一方面，本发明针对一种开始发动机的燃烧腔室内的燃烧的方法。该方法可包括在预备腔室内产生火花以点燃空气/燃料混合物，并将来自预备腔室的火焰射流引导到燃烧腔室内。该方法还可包括对预备腔室选择性地放气。

附图说明

图1是示例性公开的发动机的图解图示；以及

图2是可以与图1的发动机结合使用的示例性公开的点燃系统的图解和示意图示。

具体实施方式

图1图示示例性燃烧发动机10。为了本发明的目的，发动机10被描述和描绘成四冲程气体燃料发动机，例如天然气发动机。但是，本领域普通技术人员将认识到发动机10可以是任何其他类型的燃烧发动机，诸如例如汽油燃料发动机或双燃料(例如天然气和柴油燃料)发动机。发动机10可包括至少部分限定一个或多个缸14(图1中只示出一个)的发动机缸体12。活塞16可滑动地布置在每个缸14内以便在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间往复，并且缸盖18可与每个缸14相联。缸14、活塞16和缸盖18可一起限定燃烧腔室20。考虑到发动机10可包括任何数量的燃烧腔室20，并且燃烧腔室20可以“直列”构型、“V”构型、“对置活塞”构型或任何其他适当构型布置。

发动机10还可包括转动地布置在发动机缸体12内的曲轴22。连接杆24可将每个活塞16连接到曲轴22，使得活塞16在每个相应缸14内在TDC和BDC位置之间的滑动运动造成曲轴22转动。类似地，曲轴22的转动可造成活塞16在TDC和BDC位置之间的滑动运动。在四冲程发动机中，活塞16可经过吸气冲程、压缩冲程、燃烧或动力冲程以及排气冲程在TDC和BDC位置之间往复。还设想到发动机10可替代为两冲程发动机，其中完整循环包括压缩/排气冲程(BDC-TDC)和动力/排气/吸气冲程(TDC-BDC)。

缸盖18可限定吸气通道26和排气通道28。吸气通道26可将压缩空气或空气/燃料混合物从吸气歧管30经过吸气开口32引导进入燃烧腔室20。排气通道28可类似地将排气从燃烧腔室20经过排气开口34引导进入排气歧管36。在一些实施方式中，涡轮增压器(未示出)可通过离开歧管36的排气驱动，以压缩进入歧管30的空气。

具有阀元件40的吸气阀38可布置在吸气开口32内并被构造成选择性地接合座42。吸气阀38可以在第一位置和第二位置之间运动，在第一位置，阀元件40接合座42以禁止流体相对于吸气开口32流动，在第二位置，阀元件40从座42移除以允许流体流动。

具有阀元件46的排气阀44可类似地布置在排气开口34内并被构造成选择性地接合座48。阀元件46可在第一位置和第二位置之间运动，在第一位置，阀元件46接合座48以禁止流体相对于排气开口34流动，在第二位置，阀元件46从座48移除以允许流体流动。

一系列阀致动组件(未示出)可以与发动机10操作地相联，以使阀元件40和46在第一和第二位置之间运动。应该注意到每个缸盖18可包括多个吸气开口32和多个排气开口34。每个这种开口可以与吸气阀元件40或排气阀元件46相联。发动机10可包括用于每个缸盖18的阀致动组件，其被构造成致动缸盖18的所有的吸气阀38或所有的排气阀44。还设想到，如果希望，单个阀致动组件可致动与多个缸盖18相联的吸气阀38或排气阀44。阀致动组件可体现为例如凸轮/推杆/摇杆臂配置、电磁致动器、液压致动器或本领域已知的用于致动的任何其他装置。

燃料接纳装置50可与发动机10相联以便将加压燃料引导到燃烧腔室20。燃料接纳装置50可体现为例如与吸气通道26连通地定位的电子阀。设想到接纳装置50可替代地体现为液压、机械或气动致动装置，其选择性地加压和/或允许加压燃料经由吸气通道26或以其他方式(例如直接地)进入燃烧腔室20。燃料可包括压缩气体燃料，诸如例如天然气、丙烷、生物气体、填埋气体或氢气。还设想到燃料可以液化，例如汽油、柴油、甲醇、乙醇，或者任何其他液体燃料可喷射到燃烧腔室20内，并且机载泵(未示出)可用来加压燃料。

允许通过接纳装置50进入吸气通道26的燃料量可与引入燃烧腔室20的空气-燃料比率相关。具体地，如果希望将贫空气和燃料混合物(与空气量相比，具有相对少量燃料的混合物)引入燃烧腔室20，与希望富燃料和空气混合物(与空气量相比，具有相对大量燃料的混合物)的情况相比，接纳装置50可保持在喷射位置较短的时间周期(或另外控制成在给定循环喷射较少燃料)。同样，如果希望富空气和燃料混合物，与希望贫混合物的情况相比，接纳装置50可保持在喷射位置较长的时间周期(或另外控制成在给定循环喷射较多燃料)。贫空气和燃料混合物可通常更难以点燃，但是也以较低温度燃烧，并产生较少的规定排放物。

如图2所示，点燃系统52可与发动机10相联以帮助调节燃料和空气混合物在燃烧腔室20内的燃烧。点燃系统52可包括与每个燃烧腔室20相联的一个或多个点燃器54(图1和2所示)和与点燃器54连通的电子控制单元(ECU)58。ECU 58可被构造成响应于从一个或多个传感器60接收的输入调节点燃器54的操作。

每个点燃器54可被构造成有助于空气/燃料混合物在相应燃烧腔室20内点燃。具体地，空气和燃料的混合物可以在压缩冲程期间随着相关活塞16接近TDC、在动力冲程期间随着活塞16离开TDC或在另一适当时刻通过扩散进入燃烧腔室20的火焰射流56点燃。火焰射流56可经过预备腔室62的使用通过点燃器54产生。

在一种实施方式中，预备腔室62可以是点燃器54的一体部分。特别是，点燃器54可以包括主体64、帽66和一个或多个电极68。帽66可以是大致中空和穿孔的，并且与主体64一起至少部分限定一体的预备燃烧腔室(也称为预备腔室62)。电极68可从点燃器54的末端经过主体64至少部分延伸到预备腔室62内。在一些应用中，绝缘体70可以布置在主体64和电极68之间，以便将电极68与主体64电绝缘。

主体64可以是由导电材料制造的大致柱形结构。在一种实施方式中，主体64可以包括被构造成与发动机缸体12或缸盖18直接接合的外螺纹。在此构型中，主体64可以经由螺纹连接电接地。

帽66可具有杯形形状并固定连接到主体64的基端。帽66可被焊接、压配合、螺纹接合或通过其他方式固定连接到主体64。帽66可包括有助于空气和燃料流入预备腔室62以及火焰射流56从预备腔室62进入燃烧腔室20的一个或多个孔口。孔口可以分布方式大致径向经过帽66的环形侧壁和/或端壁。

电极68可由诸如例如钨、铱、银、铂和金钯的导电金属制造，并被构造成引导来自电源(未示出)的电流以使预备腔室62的空气和燃料混合物离子化，从而点燃空气和燃料混合物。在一种实施方式中，多个尖头(未示出)可朝着预备腔室62的内壁大致径向延伸。

在另一实施方式中，预备腔室62可以与点燃器54分离。具体地，预备腔室62可以是置于缸盖18和/或发动机缸体12内的腔室，其与燃烧腔室20分离但与其流体连通。在此实施方式中，点燃器54可延伸进入预备腔室62并用来点燃预备腔室62内的燃料空气混合物。一旦混合物在预备腔室62内侧点燃，如同第一实施方式，火焰射流56可经由将预备腔室62与燃烧腔室20分离的板内的孔口射出进入燃烧腔室20。

在又一实施方式中，可以采用两个预备腔室62。例如，点燃器54可以是预备腔室式火花塞，具有其自身的一体预备腔室，同时也延伸一段距离进入置于发动机缸体12和/或缸盖18内的预备腔室62。其他构型也是可以的。

ECU 58可用来调节通过点燃器54到预备腔室62内的电晕放电的正时，并由此调节火焰射流56到燃烧腔室20的扩散，以及随后主燃烧事件的开始。ECU 58可体现为单个或多个微型处理器控制器、场编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等，其包括响应于从传感器60接收的信号控制发动机10的操作的装置。可在商业上得到的多种控制器可被构造成执行ECU 58的功能。应该理解到ECU58可容易体现为能够控制多种系统功能和操作模式的通用发动机微型处理器。多种其他已知电路可与ECU 58相联，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动器电路(即为螺线圈、马达或压电致动器供能的电路)、通信电路和其他适当电路。

传感器60可被构造成产生指示发动机性能参数的信号。例如，传感器60可布置在曲轴22的近侧(参考图1)并被构造成测量和产生指示曲轴22的瞬时角度位置和活塞16相对于其多个冲程的TDC和BDC位置的相应位置的信号。基于此位置，正时可以通过ECU 58确定，在此正时，点燃器54应该被激励以提供发动机10的希望的性能(例如动力、排放、燃料效率等)。应该注意到其他类似传感器也可考虑通过ECU 58使用来控制点燃器54。

为了点燃器54可靠地产生火焰射流56，足够量的新鲜空气和燃料必须在ECU 58造成点燃器54放电的时刻存在于预备腔室62内。这可通过选择性放气或净化预备腔室62以便移除来自之前燃烧循环的残留气体并同时吸入新鲜空气和燃料来实现。除了提供用于燃烧的恰当混合物之外，相对冷的流体经过预备腔室62的这种循环也可用来冷却预备腔室62。为此，放气通道72可设置成与预备腔室62连通(例如预备腔室与点燃器54形成一体，或者预备腔室置于发动机10内)，并且阀74可布置在放气通道72内。ECU 58可被构造成选择性地造成阀74在适当正时打开和关闭，以允许加压残留气体经过放气通道72从预备腔室62排放。

流过放气通道72的残留气体可排放到发动机10的感应系统内的多个位置的任一位置。例如，放气通道72可从预备腔室62延伸到相关吸气通道26。另外或替代地，放气通道72可延伸到吸气歧管30或任何相关的涡轮增压器上游的位置(即涡轮增压器的压缩机区段上游)。替代地，放气通道72可延伸到大气或排气通道28和/或歧管36。

阀74可以是本领域已知的任何类型的阀，其可以在需要时抵抗燃烧腔室20内通常存在的高压关闭，并也允许流体在唯一一个方向上流动(例如离开预备腔室62)。在一个例子中，阀74是螺线管操作的止回阀，其被弹簧偏压到一个位置(例如关闭位置)，并且在通过ECU 58激励时打开。在另一例子中，阀74可类似于阀32和34(参考图1)，并且通过凸轮凸角机械地打开。在又一例子中，阀74可通过燃烧循环的进程产生的流体压力的不平衡打开。也可采用这些和其他类型的阀的任何组合。

设想到通道72和/或阀74可部分或完全形成/布置在点燃器54内。例如，放气通道72可以形成为定位在主体64内的轴向取向的毛细管(例如，在绝缘体70内)，并且阀74可在与预备腔室62相对的一端处安装到点燃器54。在点燃器54安装期间，导管可连接到毛细管和发动机10的感应系统，以形成放气通道72的剩余部分。采用此构型，具有或不具有内置预备腔室的现有发动机可得益于本发明点燃器系统提供的净化。特别是，具有内置预备腔室的发动机可具有通过一体点燃器预备腔室净化的预备腔室。

在其他实施方式中，通道72和/或阀74可部分或完全形成/布置在发动机10内。例如，放气通道72可钻制成缸盖18内的径向通道，并且阀74可被旋入缸盖18内的相应孔口。采用此构型，由于流动不需要经过点燃器54内的毛细管通道，内置预备腔室可更容易净化。

预备腔室62的净化的时刻可设置成与活塞16的特定冲程重合，使得燃烧腔室20内的相应压力可增强净化过程。例如，在燃烧腔室20内的压力高时，在活塞16的压缩冲程一部分期间，可造成阀74打开并将残留气体引导到感应系统。在一种实施方式中，阀74可在压缩冲程期间打开长达大约20-90°曲轴角度的持续时间。在相同压缩冲程期间或替代地在随后动力冲程开始时，可接着造成阀74关闭。

工业实用性

本发明的点燃系统可适用于任何燃烧发动机，其中希望燃烧开始的准确控制。虽然特别适用于与其中会由于少量可用燃料而难以开始燃烧的贫燃发动机一起使用，本发明的点燃系统可在任何类型操作期间与任何燃烧发动机一起使用。本发明的点燃系统可通过确保残留气体从火花点燃区域(即从预备腔室)净化并确保在火花开始时提供足够的新鲜空气和燃料供应来改善燃烧开始。

本领域普通技术人员将明白可以对于本发明的点燃系统进行多种改型和变型。本领域普通技术人员将从说明书的考量和本发明点燃系统的实践中明白其他实施方式。例如，虽然阀74描述成在压缩冲程期间打开以净化预备腔室62，如果放气通道72连接到涡轮增压器压缩机区段下游，也可以在吸气冲程期间打开阀74。在此实施方式中，高压流可颠倒经过放气通道72，以推出残留气体。意图在于说明书和例子只认为是示例性的，其真实范围通过随后权利要求及其等同物指明。

Claims (8)

1.一种用于具有燃烧腔室的发动机的点燃系统，其包括：

预备腔室，其被构造成与发动机的燃烧腔室流体连通；

放气通道，其通向预备腔室；以及

阀，其被构造成选择性地允许流体流过放气通道，

其中，发动机包括感应系统；以及

所述放气通道被构造成从预备腔室延伸到所述感应系统，

并且，所述感应系统包括吸气歧管和与吸气歧管流体连通的涡轮增压器；以及

所述放气通道被构造成延伸到涡轮增压器的压缩机区段上游的位置。

2.根据权利要求1所述的点燃系统，还包括操作地连接到发动机的火花塞，其中预备腔室形成火花塞的一部分。

3.根据权利要求1所述的点燃系统，还包括操作地连接到发动机并被构造成至少部分延伸进入预备腔室的火花塞，其中预备腔室形成发动机的一部分。

4.根据权利要求1所述的点燃系统，其中：

感应系统包括吸气歧管和从吸气歧管延伸到燃烧腔室的吸气通道；以及

放气通道被构造成延伸到入口歧管。

5.根据权利要求1所述的点燃系统，还包括被构造成调节阀的操作的控制器。

6.根据权利要求5所述的点燃系统，还包括被构造成产生指示发动机的操作参数的信号的传感器，其中控制器被构造成基于该信号选择性地实现阀的操作。

7.根据权利要求6所述的点燃系统，其中：

信号指示发动机的曲轴角度；以及

控制器被构造成在发动机的压缩冲程的一部分期间造成阀打开，并允许流体流过放气通道，并且在发动机的燃烧冲程的一部分期间关闭，并禁止流体流过放气通道。

8.根据权利要求6所述的点燃系统，其中，控制器被构造为造成阀打开并允许流体流过放气通道长达20-90°曲轴角度的持续时间。

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