CN105937474B - 内燃机 - Google Patents

Abstract

一种内燃机，包括位于引擎段中且具有活塞的至少一个气缸，所述活塞能够在至少一个汽缸中移动，在所述引擎段中，微波通过微波窗注入燃烧室，其中所述燃烧室由活塞基座和汽缸盖形成，其特征在于，所述燃烧室包括至少部分充当微波窗的燃烧室壁，其中所述燃烧室壁由陶瓷材料制成的壁层制成，至少一个圆周环状中空导体腔布置在所述壁层中并带有用于微波的至少一个入口开口，并且所述壁层包括用于在所述壁层的所述环状中空导体腔中传播的微波的至少一个出口开口。所述内燃机有利于精确控制开始点燃燃烧室中的燃料空气混合物，从而以比常规的往复式活塞内燃机更高的效率来实现最优的弱发射燃烧。一般而言，本发明提供了稀薄的燃料空气混合物的安全点燃。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，其具有至少一个气缸，所述气缸中的引擎段中具有在气缸中可移动的活塞，在引擎段中将微波通过微波窗引入由活塞基座与汽缸盖形成的燃烧室中，其中，该燃烧室具有由陶瓷材料制成的至少部分地充当微波窗的燃烧室壁，在燃烧室壁的壁层中布置有至少一个圆周环状中空导体腔，该环状中空导体腔包括至少一个用于微波的入口开口和至少一个用于在壁层的环状中空导体腔中传播的微波的出口开口。

背景技术

DE 103 56 916 A1公开了在内燃机的燃烧室中生成空间点火，以更好地点燃和燃烧所引入燃料的燃料空气混合物。

在常规发动机中，可点燃混合物被压缩于锥形汽缸盖中，并由火花塞导致反应和氧化。因此，化学氧化从点燃位置以锥形蔓延成压力和反应前沿(层状燃烧气相)。压力前沿移动得比反应前沿快，并因此首先到达气缸边缘。压力前沿在气缸边缘处被反射，并朝反应前沿蔓延传播。当两个前沿会合时，该反应可能停止，从而降低效率并产生污染物。

用通过微波进行的空间点燃来代替局部点燃减轻了该效果。在点燃前，应当使混合物尽可能均匀地在整个体积被激活，这需要分布在燃烧室上方的吸收。因此，由材料参数tanδ(t)和相关的穿透深度描述的微波的吸收能力是重要的。

在压缩期间，待点燃的混合物的随压力和温度变化的离子化已经正在进行。由于特定燃料分子的这种离子化，燃烧室中可点燃混合物对微波的吸收率必须是可预期的，然而，所述吸收率在压缩过程中随着时间而变化。

因为在实际应用中所描述的均匀性可能完全无法实现，所以反应前沿会从外侧以向内的方向传播。因此，必须发现在圆柱形燃烧室中生成场分布的微波进给，其中所述场分布沿整个圆周均匀增大，并且尽可能沿半径均匀增大，或者有利地，沿较大的半径单调增大。应当使场分布的均匀性与混合物的吸收性能尽可能地独立。

发明内容

因此，本发明的一个目的是实现在整个燃烧腔中尽可能均匀地点燃分布，或者至少在所述燃烧室的边缘部中生成局部点燃芯部。

该目的通过本发明提供的一种内燃机实现，该内燃机包括位于引擎段中且具有活塞的至少一个汽缸，活塞能够在至少一个汽缸中移动，在引擎段中，微波通过微波窗注入燃烧室，其中燃烧室由活塞基座和汽缸盖形成，燃烧室包括由陶瓷材料制成的至少部分充当微波窗的燃烧室壁，至少一个沿圆周的环状中空导体腔布置在燃烧室壁的壁层中，环状中空导体腔包括用于微波的至少一个入口开口和用于在壁层的环状中空导体腔中传播的微波的至少一个出口开口，环状中空导体腔由布置于引擎段中的传播衬套形成，并且环状中空导体腔在传播衬套的轴向方向上通过插入和/或涂覆的金属表面限定，在传播衬套的径向方向上经传播衬套的至少部分金属涂层限定。可以由从属权利要求分别衍生出另一些有利的实施例。

因此，根据本发明的内燃机使微波沿燃烧室的圆周传播，并通过用作微波窗的燃烧室壁的至少部分径向注入所述燃烧室。因此，所述燃烧室壁的至少部分，例如汽缸，可由合适的材料制成，该合适的材料不仅执行用于注入微波的微波窗的功能，而且由于其强度和耐热性也同时适用于燃烧室。这种合适的材料可为例如陶瓷材料，有利地，所述材料具有>99％的纯度。因此，微波可仅在一个平面中传播，或者也可以沿与燃烧室相反的方向或相同的方向在多个平面中传播，并且可通过燃烧室壁注入燃烧室中。

微波通过布置于燃烧室圆周处的至少一个环状中空导体腔注入燃烧室，其中所述中空导体腔包括朝向燃烧室的至少一个出口开口。因此，将微波引入环状中空导体腔提供了最优的波传导，同时避免了模式跳跃和反射，其中环状中空导体腔的横截面可为矩形，特别是正方形、圆形或椭圆形。有利地，所述横截面是正方形，以防止所述环状中空导体腔中的跳火(flash over)。可将微波在所述环状中空导体腔的端部以一角度导入所述燃烧室，以防止已经在所述环状导体腔的端部绕所述燃烧室传播的微波反射回微波源，或者以至少基本减少这些反射。以25GHz至90GHz的频率(有利地，36GHz)引入微波，因为显而易见的是，这些频率在所述燃烧室中产生期望的空间点燃。所述微波还可被引入脉冲包中，其中有利地，在已经进行了燃料空气混合物的点燃后，所述脉冲包仍然被维持。因此，所述燃料空气混合物的点燃被优化，并且所述燃料空气混合物的燃烧被进一步活化，即使在已经进行了点燃以及燃烧室可能已经正在扩张后亦如此。

在根据本发明所述的内燃机中，所述燃烧室包括至少部分充当微波窗并且由壁层形成(有利地，壁层由陶瓷材料制成或由另一种微波可透过的固体材料制成)的燃烧室壁，具有用于微波的至少一个入口开口的至少一个圆周环状中空导体腔布置在壁层中，并且所述壁层包括用于在所述壁层的环状中空导体腔中传播的微波的至少一个出口开口。所述环状中空导体腔在设有有利地具有套管形状的所述壁层时形成，并且所述环状中空导体腔事实上具有金属壁。因此，可使用预制造的具有各自的入口开口和至少一个出口开口的金属环状中空导体腔，或者可通过将金属表面插入所述壁层中或涂覆在所述壁层上来配置所述环状中空导体腔。根据后面的实施例，与此设计不同，所述环状中空导体腔不是中空的，因此未被配置成自由空间，而是所述陶瓷壁层的材料被布置成介于金属壁之间的介电材料。无论如何，所述环状中空导体腔相对于在其中传播的微波都充当了中空导体。

有利地，所述环状中空导体腔由沿所述壁层的径向方向和轴向方向的金属表面形成，其中朝向所述燃烧室的表面包括用于所述出口的至少一个开口，并且朝向所述引擎段的表面包括用于微波入口的至少一个开口。所述金属表面可由插入的金属条形成，或通过从外部加工的金属涂层至少形成于所述壁层的径向壁上。在电动机的段侧上，金属电动机段还可提供金属表面。有利地，所述环状中空导体腔由至少在所述壁层的轴向方向的金属条限定。因此，当用例如陶瓷材料制作壁层时，可在点火前至少沿轴向方向以初始的一致性制备所述环状中空导体腔。在径向方向上，可将金属条插入或随后至少涂覆至所述燃烧室壁上作为金属层。

根据本发明的一个实施例，有利地，所述环状中空导体腔沿所述壁层的径向方向至少部分地由金属层限定，所述金属层涂覆、引入或打点于各自的壁(燃烧室壁或径向外壁)上，然而至少涂覆、引入或打点于燃烧室壁上。因此，将薄金属层(至少3μm)涂覆在所述燃烧室壁上，以防止将微波在不期望的位置引入所述燃烧室，或者防止以向外的方向限定所述环状中空导体腔。在出口开口对微波位于期望的位置时，所述燃烧室壁上的金属层被蚀刻掉，并且在进口开口位于期望的位置时，所述径向外壁上的层被蚀刻掉。

有利地，为了避免所述环状导体的端部的反射，在该位置布置分隔壁(即，相对于所述环状中空导体腔呈角度布置)以及朝向所述燃烧室壁的方向的出口开口。因此，有利地，以一角度布置的分隔壁可由金属制成，并且可有利地与其他侧的入口开口相邻。

有利地，所述内燃机可包括位于所述环状中空导体腔与所述燃烧室壁之间的圆周间隙，其中所述间隙的大小随微波在所述环状中空导体腔中的路径长度增大；或者所述内燃机可特别有利地包括多个间隙，所述间隙垂直于微波在所述环状中空导体腔与所述燃烧室壁之间的传播方向布置；或所述内燃机可包括其组合。这些措施被用于在所述燃烧室中的尽可能多的位置处将微波能浓缩充分的水平，以通过过多的点燃芯在所述燃烧室中生成空间点燃。原则上，所述间隙可随所述环状中空导体腔中的微波的路径长度而变化。

原则上，可邻接所述环状中空导体腔布置附加的环状中空导体腔(有利地为相同的)，其中所述附加的环状中空导体腔被例如有利地布置有出口开口，该出口开口相对于所述第一环状中空导体腔的出口开口偏移，并且使所述附加的环状中空导体腔具有与环状中空导体腔相对布置的进给。此外，可在所述燃烧腔中，特别是所述汽缸盖中，提供用于局域场放大以及点燃芯生成的点。如果需要，可在所述汽缸盖中布置至少一个根据共同拥有的申请EP 15 15 72 98.9的附加微波火花塞。

注入的数学描述基于柱坐标系r、φ、z。在由导电边界限定的圆柱形空间中，电磁波沿圆周的分布由正弦函数或余弦函数定义，以及由也称为沿半径的贝塞尔函数的柱函数定义。根据场线的朝向，相关的本征模式被称为T Emn模式、T模式或Mmn模式。因此，第一指数m与方位最大值的数相对应，第二指数n与径向最大值的数相对应。高方位指数和低径向指数的模式被称为回音壁模式(Whispering Gallery Modes，WGM)。它们的能量基本在中空汽缸的边缘处振荡。随着径向指数的增大，振荡功率移动至燃烧室的内部。

两种模式在方位上偏移了π/(2m)并且是时基的，但是在其他方面相同，这两种模式的叠加导致了旋转模式。这在文献中是公知的。在数学上，方位固定的模式由两个使用以下方程的相反的旋转模式表示：

在m＝0的情况下，存在方位恒定的分布。

类似的方程应用于径向方向。描述径向驻波的贝塞尔函数可分解成向内和向外传播的汉克尔函数：

2Jm(k_rr)＝Hm2(k_rr)+Hm1(k_rr)

其中kr是径向波数。与

成比例的场分布描述了能量以螺旋状向内传播的模式。相关的锋面(facefronts)随着半径减小而变得越来越陡峭。

根据本发明，选择性地在气缸的外部或在整个体积中实现沿所述圆周具有最大均匀性的点燃，因为在所述燃烧腔中旋转回音壁模式或体积模式可以以可控方式激发。因此，采用所述环状中空导体腔形式的进给波导体(有利地为矩形波导体)绕所述燃烧室弯曲。理论上已知，其模式的中空导体波长的长度可通过横向几何尺寸来改变。因此，在一个实施例中，进给波导体和圆柱形燃烧腔通过周期性开口彼此连接，该周期性开口穿过用作微波窗的燃烧腔壁，该微波窗将能量从波导体注入燃烧腔中。下面，选择开口的周期p使

其中k_l是燃烧室中以受控的方式激发TE0n模式的弯曲波导体中的模式的轴波数。在理想情况下，该模式将具有圆形的向内传播的具有恒定振幅的锋面。能量的进给直接到达相对的壁，并且已经可以从该位置被注入回弯曲的进给波导体。因此，燃烧腔中的覆盖的路径长度与燃烧腔的直径对应。在将待点燃的混合物吸收不良的情况下，相当大部分的能量被注入回进给波导体，并反射至微波源。

因此，选择稍微不同的开口周期作为根据本发明的一个替选方案。因此，锋面是倾斜的。能量以螺旋状传播至燃烧腔中，这有利于高的路径长度并因此有利于吸收在很大程度上独立于tanδ的微波能量。开口的宽度是多变的，以使注入燃烧室的能量沿圆周恒定。

如上文所述，具有恒定相位的表面相对于半径倾斜越多，半径就变得越小。存在能量仅朝方位角方向传播的半径。这导致燃烧室内部中部分没有场。这在燃烧室中央中的燃料浓度很低时是有利的。激发模式与已经描述的回音壁模式相对应。当弯曲的波导体中的波长相对于通畅空间波长缩短时，将以特别高效的方式达到这种耦合。因此，所述波导体填充有非吸收性的介电材料。

可在边缘处得到强的场放大，同时在中央得到相对较弱的场激发，因为注入周期被选择成进行注入至体积模式以及WGM中。这会在边缘部分产生场放大。

燃烧室边缘处的场的激发还可为时基控制的。首先，选择频率，由进给波导体在所述频率处进行注入至激发整个燃烧室的体积模式。然后可改变此频率以进行注入至点燃性的WGM中。

在弯曲的波导体的端部，可布置倾斜45°角并且旋转偏振的板。到达弯曲导体的端部的微波能量然后在旋转的偏振中被反射。以90°旋转的偏振注入燃烧腔的能量不会干扰随后以向前的方向注入的能量。

因此，本发明有利于精确控制开始空间点燃燃烧室中的燃料空气混合物，从而以比常规的往复式活塞内燃机更高的效率实现燃料的最优弱发射燃烧。通常而言，本发明有利于安全点燃稀薄的燃料空气混合物，而不需要通过进一步浓缩来实现点燃，并且将导致更低的燃料消耗。排放和它们的生成可通过燃烧温度以及空气与燃料的混合比率来控制。根据本发明的燃烧比常规的点燃发生更快。这导致“较冷的”燃烧，从而提高效率。此外，事实上，更低的污染物排放能够通过较冷的燃烧过程来实现。较冷的燃烧降低了废气中的NO浓度。通过空间点燃，所述燃烧方法与常规燃烧不同，其对扩散火焰形式的燃烧进程的依赖少得多。这有助于避免额外的热损失，并且实现了效率的提高。未对该类型的燃烧提供燃烧室以及空气在氧化部分中的加热阶段。

附图说明

接下来，可参考示意性的附图更详细地描述本发明。可从随后的结合专利权利要求书以及附图的描述中衍生出本发明的其他特征，其中：

图A以俯视图示出了没有汽缸盖的内燃机的细节；

图B示出了具有汽缸盖的图A所示细节的沿线A-A的截面图；

图C示出了图B中的细节X的放大视图；并且

图D示出了图B的沿线B-B的截面视图。

具体实施方式

因为仅存在一个以不同示图示出的实施例，所以接下来将各附图结合起来描述实施例。附图示意性地描述了具有汽缸盖2和引擎段3的内燃机1的细节。引擎段3包括具有活塞5的汽缸4，活塞5能够在汽缸4中移动，以及位于活塞基座5’与汽缸盖2之间，且布置于所述气缸4上方、部分地处于的所述汽缸盖2中的燃烧室6。示意性表示的用于燃料空气混合物的入口7导向燃烧室6。未示出可以以本领域技术人员已知的方式配置的用于废气的出口。示意性表示的具有用于燃料空气混合物的中央入口7的汽缸盖2当然还包括附加火花塞或用于废气的出口。气缸4包括燃烧室壁8，燃烧室壁8由适于执行微波窗的功能的材料制成。这种材料可为例如陶瓷材料(有利地，具有高度纯度)或另一种合适的微波可透过的并且耐磨的材料。

所述燃烧室壁8由壁层形成，所述壁层提供为布置于气缸4中的由陶瓷材料形成的套管状传播衬套9，其中环状中空导体腔10被布置于套管状传播衬套的壁中。所述环状中空导体腔10与用于微波的进给13连接，所述进给13可以将所述引擎段3的外侧连接至未示出的能源，并且该进给13朝向所述环状中空导体腔10的端部形成进入用于微波的所述环状中空导体腔10的入口开口11。在所述传播衬套9的壁中，所述环状中空导体腔10被烧结前嵌入(也可为打点)的金属条14沿轴向方向限定。此外，倾斜的分隔壁16布置于进入所述环状中空导体腔10的进给13的出口，其中所述分隔壁用于使进入的微波偏转至所述环状中空导体腔10中，并用于在绕所述环状中空导体腔10传播后偏转至所述燃烧室6中。此外，这也阻止了微波的背向反射。所述环状中空导体腔10的径向壁由所述引擎段3的金属壁17形成于所述传播衬套9的径向外壁处，并且由通过公知方法施加的金属层15形成于燃烧室壁8处。所述金属层15在微波将离开的位置被原位蚀刻掉。本实施例例示出了多个出口开口12，其被配置成均匀分布于所述环状中空导体腔10的长度上的间隙。这些多个出口开口12提供了上文所述的微波能的注入。

引擎的组件，例如引擎段、汽缸盖等，由一般材料(通常是金属)制成，其中所述材料可根据应用来选择。所述的中空导体腔中的针对微波的边界可由金属制成，其中可采取额外的方法来优化导电性，例如通过具有高导电材料的表面涂层。

Claims (5)

1.一种内燃机，包括位于引擎段(3)中且具有活塞(5)的至少一个汽缸(4)，所述活塞（5）能够在所述至少一个汽缸（4）中移动，在所述引擎段（3）中，微波通过微波窗注入燃烧室(6)，其中所述燃烧室由活塞基座(5')和汽缸盖(2)形成，所述燃烧室(6)包括由陶瓷材料制成的至少部分充当微波窗的燃烧室壁(8)，至少一个沿圆周的环状中空导体腔(10)布置在燃烧室壁的壁层中，所述环状中空导体腔（10）包括用于微波的至少一个入口开口(11)和用于在所述壁层的所述环状中空导体腔(10)中传播的微波的至少一个出口开口(12)，其特征在于，所述环状中空导体腔（10）由布置于引擎段（3）中的传播衬套（9）形成，并且所述环状中空导体腔（10）在传播衬套（9）的轴向方向上通过插入和/或涂覆的金属表面（14）限定，在传播衬套（9）的径向方向上经传播衬套（9）的至少部分金属涂层限定。

2.根据权利要求1所述的内燃机(1)，其特征在于，在入口开口（11）位置，以相对于所述环状中空导体腔(10)呈一角度定向的分隔壁(16)和朝向所述燃烧室(6)的方向的出口开口(12)被布置于所述环状中空导体腔(10)的端部，所述分隔壁首先使进入的微波偏转至环状中空导体腔（10）中，之后使绕环状中空导体腔（10）传播的微波通过出口开口（12）进入至燃烧室中。

3.根据权利要求2所述的内燃机(1)，其特征在于，所述呈一角度定向的所述分隔壁(16)由金属制成，并且布置成以另一侧邻接于所述入口开口（11）。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在所述环状中空导体腔(10)与所述燃烧室壁(8)之间设有多个出口开口(12)，所述出口开口垂直于所述微波的传播方向布置。

5.根据权利要求1至4任一项所述的内燃机，其特征在于，引擎段（3）包括有用于微波的进给（13），所述进给的末端形成所述环状中空导体腔（10）的所述入口开口（11）。