CN108779754A - 内燃发动机和点燃燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机包括用于将燃料注射到燃烧室中的燃料喷嘴，以及等离子体点火器，所述等离子体点火器用于在室内生成一组或多组自由基并发起火焰以点燃燃料。点火器突出到所述室中。一种点燃燃烧室内的燃料并控制燃烧相位的方法，包括将燃料的第一部分注射到燃烧室中；激励等离子体点火器以生成一组或多组多个自由基，每组具有已知电压；随后将燃料的第二部分注射到燃烧室中；并将等离子体点火器的激活与第二注射紧密关联以点燃燃料。点燃事件的燃烧相位通过控制由等离子体点火器生成的所述多个自由基的数量和电压来控制。

Description

内燃发动机和点燃燃料的方法
技术领域
本公开涉及一种内燃发动机，且涉及一种点燃燃料和控制燃烧相位的方法。
背景技术
车辆可由内燃发动机提供动力。在内燃发动机的操作期间，热源可点燃燃烧室内的燃料以燃烧该燃料并向车辆提供动力。在内燃发动机的特定操作模式下，这样的点燃可每秒发生几百次。
发明内容
一种点燃燃烧室内的燃料的第一方法，所述燃烧室由内燃发动机的汽缸体限定，所述方法包括：将燃料的第一部分注射到燃烧室中，以及，在注射所述第一部分之后，激励所述等离子体点火器以生成第一多个自由基。在生成所述第一多个自由基之后，注射所述燃料的第二部分到燃烧室中，以及在注射所述第二部分之后，激活所述等离子体点火器以由此点燃所述燃料。所述等离子体点火器延伸通过与汽缸体配合的汽缸盖且突出到所述燃烧室中，且构造为使得激励所述等离子体点火器在燃烧室内生成多个自由基，和激活所述等离子体点火器在燃烧室内发出火焰以点燃所述室内的燃料。在生成所述第一多个自由基之后且在注射所述燃料的第二部分之前，去激励以及随后再激励所述等离子体点火器一次或多次，以生成附加的多个自由基，其可包括生成第二多个、第三多个、和至少第四多个自由基。
一种点燃燃烧室内的燃料的第二方法，所述燃烧室由内燃发动机的汽缸体限定，所述方法包括：激励等离子体点火器以在燃烧室内生成第一多个自由基；然后去激励和随后再激励所述等离子体点火器以生成第二多个自由基。在生成所述第二多个自由基之后，注射所述燃料的第一部分到燃烧室中，以及随后将燃料的第二部分注射到燃烧室中。在注射之后，激活所述等离子体点火器以由此点燃所述燃料。
提供了一种内燃发动机，包括汽缸体，在其中限定燃烧室；汽缸盖，与汽缸体配合，使得汽缸盖覆盖所述燃烧室；燃料喷嘴，构造为用于将燃料注射到所述燃烧室中；以及等离子体点火器，延伸通过所述汽缸盖并突出到所述燃烧室中。所述等离子体点火器构造为当被激励时在燃烧室内生成多个自由基，且当被激活时发出火焰用于点燃燃烧室内的燃料。发动机构造为使用在此描述的方法中的至少一个来点燃燃烧室内的燃料。在一个例子中，所述等离子体点火器是电晕放电等离子体点火器，其构造为使具有多个射流的等离子体放电到燃烧室中。在另一例子中，所述等离子体点火器是介质阻挡放电等离子体点火器，其构造用于使具有沿介质阻挡放电等离子体点火器的着火部分的表面传输的多个射流的等离子体放电并放电到燃烧室中。发动机进一步构造为通过控制等离子体点火器的激励以产生电场来控制燃烧相位，所述电场具有10kV至80Kv的电压，处于60Hz至10MHz的频率，持续0.1毫秒(ms)至5.0ms的持续时间。发动机进一步构造为选择性地控制等离子体点火器的激励和去激励，使得所述第一多个自由基生成在附连至所述活塞的曲轴处于第一旋转位置处时，以及所述第二多个自由基生成在附连至所述活塞的曲轴处于第二旋转位置处时。在一个例子中，第一和第二旋转位置之间的旋转差为20至150度。发动机进一步构造为控制发动机的燃烧相位，例如，通过使用控制器以选择性地激励等离子体点火器，以生成包括第二多个自由基的后续的多个自由基，使得当针对点火事件生成的多组自由基的数量增加时，燃烧相位被提前，和/或选择性地激励所述等离子体点火器以产生具有预定电压的电场，其中，燃烧相位的提前通过所述预定电压限定且随预定电压的增加而增加。
在此使用时，术语“一”、“所述”、“至少一个”和“一个或多个”是可互换的，并指示至少一个项是存在的。多个这样的项可存在，除非上下文清楚地另外指示。本公开(包括所附权利要求)中的参数、数量、或条件的所有数值被理解为在所有情况下通过术语“大约”或“大致”来修改，不论“大约”或“大致”是否实际出现在数值前。“大约”或“大致”表示所述的数值允许少许不精确(例如，逼近数值精确值；合理地接近所述值；在附近；基本上)。如果由“大约”或“大致”提供的不精确性未被理解为该涵义，则在此使用的“大约”或“大致”指至少可从测量或使用这样的参数的方法得到的变化。进一步地，术语“大体”也是指条件的略微不精确(例如，逼近条件的精确值；大致或合理地接近所述条件；在附近；基本上)。此外，所披露的数值范围包括全部值的公开内容以及在整个范围内的进一步划分的范围。范围内的每个值以及范围的端点全部公开为分立的实施例。术语“包括”、“包含”、“具有”是包含性的，且因此具体指所述项的存在，但不排除其他项的存在。在本公开中使用时，术语“或”包括所列项的一个或多个中的任一或全部组合。
本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本公开的最佳模式和优选实施例的以下详细描述连同附图和所附权利要求时显而易见。
附图说明
图1是内燃发动机的横截面片段图的示意图，其中，内燃发动机限定多个燃烧室、多个进气口、和多个排气口；
图2是图1的所述多个燃烧室中的一个、所述多个进气口中的相应一个、和所述多个排气口中的相应一个的横截面视图的示意图，其中，等离子体点火器突出到燃烧室中，且构造为电晕放电等离子体点火器；
图3是图2的等离子体点火器的示意图，且从燃烧室内的位置V观察时等离子体从所述等离子体点火器射出；
图4是点燃图1的燃烧室内的燃料的第一示例方法的示意性流程图；
图5是，根据图4中所示的第一示例方法，以千帕斯卡(kPa)测量的图1燃烧室内的压力、以毫米(mm)测量的进气口内的阀升程、以及以角度测量的在图1的内燃发动机的第一示例操作条件期间布置在燃烧室内的活塞的旋转位置之间的关系的示意图；
图6是在图2的燃烧室内的以焦耳每曲柄角度(J/CAD)测量的热释放速率(HRR)、在图5中所示的第一示例操作条件期间布置在燃烧室内的活塞的以角度测量的旋转位置之间的关系，通过具有和不具有自由基生成的电晕放电等离子体点火器进行；
图7是在图9的燃烧室内的以焦耳每曲柄角度(J/CAD)测量的热释放速率(HRR)、在图5中所示的第一示例操作条件期间布置在燃烧室内的活塞的以角度测量的旋转位置之间的关系，不具有自由基生成和具有自由基生成，通过在各点火器激励电压下的介质阻挡放电等离子体点火器进行；
图8是在图9的燃烧室内的以焦耳每曲柄角度(J/CAD)测量的热释放速率(HRR)、在图5中所示的第一示例操作条件期间布置在燃烧室内的活塞的以角度测量的旋转位置之间的关系，不具有自由基生成和具有自由基生成，同时选择性地激励和断开点火器以生成众多自由基；
图9是图1的所述多个燃烧室中的一个、所述多个进气口中的相应一个、和所述多个排气口中的相应一个的横截面视图的示意图，其中，等离子体点火器突出到燃烧室中，且构造为介质阻挡放电等离子体点火器；
图10A是在图9的介质阻挡放电等离子体点火器的第一示例构造的示意性截面图，其中，介质阻挡放电等离子体点火器沿形成生火部分的介质阻挡表面产生流注放电；
图10B是图10A的介质阻挡放电等离子体点火器的生火部分的透视图，描绘了在单个等离子体放电事件期间通过激励点火器产生的多个流注；
图11是在图9的介质阻挡放电等离子体点火器的第二示例构造的示意性截面图，其中，介质阻挡放电等离子体点火器沿介质阻挡表面产生流注放电；
图12是在图9的介质阻挡放电等离子体点火器的第三示例构造的示意性截面图，其中，介质阻挡放电等离子体点火器大致在介质阻挡和围绕着火部分的接地电极之间；
图13是点燃图1的燃烧室内的燃料的第二方法的示意性流程图；
图14是，根据图13中所示的第二示例方法，以kPa测量的图1燃烧室内的压力、以mm测量的进气口内的阀升程、以及以角度测量的在图1的内燃发动机的第二示例操作条件期间布置在燃烧室内的活塞的旋转位置之间的关系的示意图；
图15是在图9的燃烧室内的以焦耳每曲柄角度(J/CAD)测量的热释放速率(HRR)、在图14中所示的第二示例操作条件期间布置在燃烧室内的活塞的以角度测量的旋转位置之间的关系，具有和不具有自由基生成。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记在若干幅视图中表示相同的部件，用于车辆的内燃发动机在图1中的10处大体示出。内燃发动机10可用于汽车应用，诸如乘客轿车、运动型多用途车、或卡车。但是，内燃发动机10可还用于非汽车应用，诸如工业机车、休闲车、或发电。
如参考图1所描述的，内燃发动机10可以可操作地连接至布置在车辆的一个或多个轮轴(未示出)上的多个车轮(未示出)，以提供用于使车辆沿表面平移的动力。例如，内燃发动机10可连接至曲轴12和变速器(未示出)，所述曲轴和变速器可继而旋转所述一个或多个轮轴。内燃发动机可提供直接的原动力至所述多个车轮，诸如经由连接至所述一个或多个轮轴的曲轴12提供，或可将动力提供至一个或多个电马达(未示出)和/或电池(未示出)，所述电马达或电池可继而将原动力提供至所述多个车轮。不论如何，内燃发动机10可构造为通过燃烧燃料14(图2和9)并将化学能转换为机械能而将动力提供至车辆。
继续参考图1，内燃发动机10包括汽缸体16和与汽缸体16配合的汽缸盖18。例如，内燃发动机10可包括盖垫片(未示出)，所述盖垫片配置为将汽缸盖18密封地配合至汽缸体16。汽缸体16在其中限定汽缸孔20，所述汽缸孔20配置形状为用于容置活塞22。例如，汽缸体16可在其中限定四个、六个、八个或十二个汽缸孔20，内燃发动机10可因此分别特征在于4-缸、6-缸、8-缸、或12-缸内燃发动机10。替代地，汽缸体16可在其中限定一个、两个、三个或五个汽缸孔20，内燃发动机10可因此分别特征在于1-缸、2-缸、3-缸、或5-缸内燃发动机10。
此外，汽缸体16在其中限定燃烧室24，其布置在活塞22和汽缸盖18之间。更具体地，汽缸盖18与汽缸体16配合，使得汽缸盖18覆盖燃烧室24。
通常，如图1所示，内燃发动机10可包括与汽缸孔20相同数量的活塞22，使得在每个汽缸孔20中布置一个活塞22，且所述活塞22附连至曲轴12。每个活塞22可包括活塞头26，所述活塞头26配置尺寸为在汽缸孔20中可滑动地平移。因此，活塞头26可交替地朝向和远离汽缸盖18平移，以由此使曲轴12旋转通过多个旋转位置(图5和14)，所述旋转位置以旋转角度测得，使得内燃发动机10可将活塞22的线性运动转换为旋转运动。
再次参见图1，所述多个活塞22中的每个构造为用于在汽缸孔20的相应一个中、在第一位置(大体在30处示出)和第二位置(大体在32处示出)之间往复运动，以共同进气并将一定量的空气从内燃发动机10排出。例如，第一活塞30可特征为“上死点”，且可指一位置，在该位置处，活塞头26布置为距曲轴12最远且曲轴12具有0度的旋转位置28(图5和14)。类似地，第二活塞32可特征为“下死点”，且可指一位置，在该位置处，活塞头26布置为距曲轴12最近且曲轴12具有180度的旋转位置28。因此，当所述多个活塞22在所述多个汽缸孔20内在第一位置30和第二位置32之间往复运动时，内燃发动机10可“呼吸”，以进气和排出所述量的空气。
现在参考图2和9，为了优化燃料14在燃烧室24内的燃烧，内燃发动机10可还包括进气阀34和排气阀36。即，汽缸盖18在其中限定进气口或流道38，其可布置为与燃烧室24流体连通，且进气阀34可布置在进气口38中。进气口或流道38可设置为在内燃发动机10的操作期间将进入空气(大体以箭头40表示)馈送至燃烧室24。
这样，进气阀34可构造为用于交替地允许和阻止进气口38和燃烧室24之间的流体连通。例如，在内燃发动机10的操作期间，进气阀34可从就座位置42(图2、5、9和14)过渡至非就座位置44(图5和14)，在所述就座位置42中，进气口38和燃烧室24没有布置为流体连通，在所述非就座位置44中，进气口38和燃烧室24布置为流体连通，以由此允许进入空气40进入燃烧室24。相反地，进气阀34可从非就座位置44过渡至就座位置42，以由此阻止进入空气40进入燃烧室24。在一个非限制性实施例中，内燃发动机10每个燃烧室24包括两个进气阀34。在其他非限制性实施例中，内燃发动机10每个燃烧室24可包括一个进气阀34或三个进气阀34。
类似地，参考图2和9，汽缸盖18在其中限定排气口或流道46，其可布置为与燃烧室24流体连通，且排气阀36可布置在排气口46中。排气口或流道46可设置为在内燃发动机10的操作期间将排气(大体以箭头48表示)从燃烧室24运出。排气口或流道46可还允许排气48再呼吸或再导入。
这样，排气阀36可构造为用于交替地允许和阻止排气口46和燃烧室24之间的流体连通。例如，在内燃发动机10的操作期间，排气阀36可从闭合位置50(图2、5、9和14)过渡至打开位置52(图5和14)，在所述闭合位置42中，燃烧室24和排气口46没有布置为流体连通，在所述打开位置52中，燃烧室24和排气口46布置为流体连通，以由此允许排气48从燃烧室24排出。相反地，排气阀36从打开位置52过渡至闭合位置50，以由此阻止排气48离开燃烧室24。在一个非限制性实施例中，内燃发动机10每个燃烧室24包括两个排气阀36。在其他非限制性实施例中，内燃发动机10每个燃烧室24可包括一个排气阀36或三个排气阀36。
参考图5和14，在内燃发动机10的操作期间，活塞22可在燃烧循环期间在汽缸孔20内循环经过进气冲程54、压缩冲程56、膨胀冲程60、和排气冲程62。特别地，在进气冲程54期间，活塞22可在燃烧室24内从第一位置30(图1)行进至第二位置32(图1)。因此，如果进气阀34布置在非就座位置44，在活塞头26朝向曲轴12行进时，进入空气40可被抽吸到燃烧室24中。
之后，在压缩冲程56期间，活塞22可在燃烧室24内从第二位置32(图1)行进至第一位置30(图1)。因此，如果进气阀34布置在第二位置42中且排气阀36布置在关闭位置50中，活塞22可压缩进入空气40并增加燃烧室24内的压力58(图5和14)。
接下来，在排气冲程60期间，活塞22可在燃烧室24内从第一位置30(图1)行进至第二位置32(图1)。例如，如果燃料14在压缩冲程56之后燃烧，由燃烧得到的压力58(图5和14)可推靠活塞头26，且活塞22可行进至第二位置32。
最后，在排气冲程62期间，活塞22可在燃烧室24内从第二位置32(图1)行进至第一位置30(图1)。因此，如果进气阀34布置在第二位置42中且排气阀36布置在打开位置52中，可经由排气口46从燃烧室24移除排气48。
内燃发动机10可还在多个阀协议下操作。例如，参考图5和14，内燃发动机10可在正阀重叠(PVO)阀协议64下操作，在该协议中，针对曲轴12的一个或多个旋转位置28，进气阀34和排气阀36二者分别同时布置在非就座位置44和打开位置52中。即，进气阀34可布置在非就座位置44中，即，可具有正阀升程124，同时针对曲轴12的特定旋转位置28，排气阀36也布置在打开位置52中，如以下更详细地说明的。PVO阀协议64的总持续时间可改变。即，内燃发动机10可在发动机操作期间在PVO阀协议64下操作。
相反地，内燃发动机10可在负阀重叠(NVO)阀协议(未示出)下操作，在该协议下，进气阀34从不布置在非就座位置44，同时对于曲轴12的任何旋转位置28，排气阀36布置在打开位置中。当然，在NVO阀协议期间，进气阀34总是布置在就座位置42中，即，具有零阀升程124，同时排气阀36布置在打开位置52中，且在进气阀34布置在非就座位置44中时，排气阀36总是布置在关闭位置52中。NVO阀协议64的总持续时间也可改变。即，内燃发动机10可在发动机操作期间在PVO阀协议下操作。例子是说明性的非限制性的，可采用诸如可变阀正时或凸轮定向变化的类似策略以实现在发动机操作期间不同量的NVO和PVO重叠。
内燃发动机10还可在多个燃烧条件下操作。例如，内燃发动机10可在化学计量燃烧条件下操作，在该化学计量燃烧条件中，空气40和燃料14在燃烧室24内以化学计量比混合。替代地，内燃发动机10可在稀薄(lean)燃烧条件下操作，在该稀薄燃烧条件中，空气40和燃料14在燃烧室24内不以化学计量比混合。稀薄燃烧条件包括以下条件，其中，燃料14在燃烧室24内通过空气40和/或排气48稀释，且可特征为稀薄分层燃烧、均质混合压燃(HCCI)燃烧、火花辅助压缩点火、或稀薄均质燃烧。在一个实施例中，内燃发动机10可操作为小型助推稀释燃烧发动机，其中，内燃发动机10包括减少数量的汽缸孔20和燃烧室24，且包括助推装置，诸如涡轮增压器或机械增压器(supercharger)。
再次参考图2和9，内燃发动机10还包括燃料喷嘴68，其构造用于将燃料14(作为一个非限制性例子，示意性地示出为圆锥)注射到燃烧室24中。燃料14可以是任何合成物，诸如但不限于汽油、乙醇、柴油、天然气、及其组合。燃料喷嘴68可具有构造为用于喷射燃料14的端阀70，且可延伸通过汽缸盖18进入燃烧室24中。端阀70可限定多个孔(未示出)，燃料14可通过所述孔喷射。通过所述多个孔中的一个喷射的燃料14的一部分可标记为燃料羽流(fuelplume)72。因此，通过燃料喷嘴68注射到燃烧室24中的燃料14可包括一个或多个燃料羽流72。通常，燃料喷嘴68可设置为以根据所期望的燃烧特性以及内燃发动机的动力需求的形状和量来将燃料递送至燃烧室24。借助非限制性例子，燃料14可具有大体圆锥形状、大体三角形形状、大体圆柱形形状、大体矩圆形形状、大体卵形形状、或大体无定形或不规则形状。
例如，如参考图2所描述的，燃料14可具有第一边界78和第二边界80，第一边界和第二边界在它们之间限定喷角82。在一个特定非限制性例子中，燃料14可具有大体圆锥形形状且可包括基平面74(例如，大致圆形的基平面)、从基平面74延伸且垂直于基平面74布置的中央纵向轴线76、与基平面74交叉的第一边界78、和与基平面74交叉的第二边界80。因此，第一边界78和第二边界80可在其之间限定喷角82，且可在顶点84处交叉，所述顶点84沿中央纵向轴线76与基平面74间隔开。即，顶点84可与燃料喷嘴68的端阀70对齐。
继续参考图2和9，内燃发动机10还包括等离子体点火器100，其延伸通过汽缸盖18且突出到燃烧室24中。点火器100可被选择性地激励以生成第一多个自由基188，以及被选择性地去激励和再激励以在生成所述多个第一自由基188之后生成一组或多组后续的多个自由基188。点火器100可被激活以在燃烧室24内点燃火焰102，以点燃燃料14，由此引发燃烧室24内的燃料14的燃烧和消耗。
等离子体点火器100可根据燃烧室24内的所期望的燃烧特性来选择，所述燃烧特性包括燃烧相位。例如，等离子体点火器100可以是电晕放电等离子体点火器300(大体在图2中示出)，其构造为用于将具有多个射流104(图3)的等离子体90(图3)喷射到燃烧室24中，以由此在燃烧室24内生成所述第一多个自由基188。在此使用时，术语“电晕放电等离子体点火器”与术语“火花塞”和“介质阻挡放电等离子体点火器”相对照。电晕放电等离子体点火器300构造为用于喷射作为包括所述多个射流104的电晕的等离子体90。进一步地，尽管未示出，但等离子体点火器100可包括具有初级侧和次级侧的高压变压器。作为非限制性例子，等离子体点火器100的初级侧，例如，等离子体100的接收电输入信号的那侧，可具有从约45V至约75V的电压、从约1A至约2.5A的电流、和从约90W至约110W的功率。作为非限制性例子，等离子体点火器100的次级侧，例如，等离子体100的在燃烧室24内生成电场的那侧，可具有从约10kV至约110kV的电压、从约20mA至约200mA的电流。
参考图2，电晕放电等离子体点火器300可以是两件式组件，且可包括感应器302和操作地连接至感应器302的末端304。尽管在图2中仅大体示出，但末端304可包括两至六个单独的电极96，例如，四个单独的电极96，每个彼此间隔开且以星形构造设置(如图3中大体示出的)。当点着时，电晕放电等离子体点火器300可从末端304发出约10kV至约110kV的电场到燃烧室24中。无意被理论限制，在几纳秒内，电场可激励燃烧室24内靠近末端304以及单独电极96的空气，直到电场迁跃至等离子体90，等离子体90包括多个带电离子。电晕放电等离子体点火器300的着火可被选择性地控制，以生成电场，所述电场具有10kV至约110kV范围内的已知电压，其中增加已知电压使得燃烧相位提前，如图6所示的。
如参考图3描述的，当所述多个带电离子的密度达到阈值时，等离子体90可包括所述多个射流104，每个从末端304(图2)以及所述多个电极96延伸。所述多个射流104中的每个可彼此间隔开，但在共同的中心处连结，例如顶点84。每个射流104可还包括一个或多个从射流104散发的分支106。即，在此使用时，术语“射流”是指等离子体90的一部分，该部分具有伸长的、流动的、带状外观或特性。换句话说，所述多个射流104可以指从等离子体90的中心散发或扩散出的多个发射部分，每个射流104可包括一个或多个分支106，所述分支106之后进一步从射流104射出或分叉。每个射流104和/或分支106可构造为用于激励燃烧室24内的空气，以由此生成多个自由基188。电晕放电等离子体点火器300可被去激励和再激励，以激励燃烧室24内的空气，以由此生成多个自由基188。电晕放电等离子体点火器300的去激励和再激励可以被控制，例如，经由诸如发动机控制器(未示出)的控制器进行，使得生成的所述多个自由基188具有已知电压。电晕放电等离子体点火器300可以被激活，使得每个射流104和/或分支106构造为用于点燃燃烧室24内的燃料14，其中，所述多个射流104可同时点燃燃料14的多个部分，并提供燃料14的快速、均质以及高效燃烧。在说明性的例子中，激活电晕放电等离子体点火器300以点燃燃料14与将燃料14注射到燃烧室104的注射事件在时间上紧密相关。
再次参考图3且如上所述，末端304可以期望的突进或深度延伸到燃烧室24中。例如，末端304可以间隔298与汽缸盖18分隔开，所述间隔298为约1mm至约15mm，例如3mm或约5mm或约7mm或约9mm或约11mm或约13mm。间隔298可根据燃烧室24内的期望燃烧特性来选择，诸如温度、燃烧持续时间、和/或喷角82。例如，一般地，末端304可更远地延伸到燃烧室204中，即，对于相对较小的喷角82，间隔298可相对较大。在非限制性例子中，末端304可以约5mm至约15mm的间隔298突出到燃烧室24中，例如，约7mm，喷角82可为约50度至约70度，例如，约60度。在另一非限制性例子中，末端304可以约1mm至约5mm的间隔298突出到燃烧室24中，例如，约3mm，喷角82可为约70度至约120度，例如，约90度。
对于等离子体点火器100构造为介质阻挡放电(DBD)等离子体点火器400(图9)的实施例，等离子体点火器100可以是两件式组件，且可包括本体92，其限定本体部分240和着火部分216。着火尖端94包括中央电极292，其被介质壳体234包在本体92中并延伸到着火部分216中。中央电极292可以一电压被选择性地激励和/或激活并持续一受控持续时间，例如，被从发电机控制器接收的信号激励和/或激活，以控制燃料点燃和燃烧相位。介质壳体234形成中央电极292和燃烧室24之间的介质阻挡。通过非限制性例子，等离子体点火器100可以是介质阻挡放电(DBD)等离子体点火器(400)(在图9中大致示出)。DBD等离子体400包括一个或多个介质或绝缘阻挡件214(图10-12)，其构造为将电流喷射到燃烧室24中，以由此生成一组或多组多个自由基188，例如，使得每次激励DBD等离子体400时生成多个自由基188。介质阻挡件214可由能够经受发动机10环境的高温和压力的任何介质材料形成。例如，介质材料214可以是玻璃、石英、或陶瓷介质材料，诸如高纯度氧化铝。图10-12中示出的DBD等离子体点火器400A、400B、400C的示例实施例不意图是限制性的，从而，在此使用时，术语DBD点火器400一般是指DBD等离子体点火器的任何构造，包括但不限于分别在图10A、11和12中所示的示例DBD等离子体400A、400B、400C。
在分别在图10A、11和12中所示的DBD等离子体点火器400A、400B、400C的示例构造中，本体92(图9)包括第一本体部分240(这里还称为点火器本体240)，第二本体部分216(这里还称为着火部分216)，且可包括第三本体部分236(这里还称为点火器柄236)，在点火器本体240和着火部分216之间。在所示例子中，本体92包括包住中央电极292的介质壳体234。点火器本体240可为大致圆柱形，使得点火器本体240与点火器端口224的由汽缸盖18限定的端口接口244相接，使得DBD点火器400延伸通过汽缸盖18，且柄236和着火部分216突出到燃烧室24中。在图10A中所示的例子中，安装凸起268可布置在端口接口244中，以接收点火器本体240。在图10A-10B所示的例子中，着火部分216从燃烧室表面228突出。在图11-12所示的例子中，柄236大致为圆锥形形状，且从燃烧室24的室表面228渐缩。柄236特征在于柄长度238，其提供着火部分216和燃烧室表面228之间的最小间隙或距离。包括柄236的点火器本体240可由绝缘材料制造以阻止着火尖端94和燃烧室24内的可用作电接地的表面之间的接触，所述表面诸如在DBD等离子体点火器400下方、燃烧室24中的活塞的表面(图9)或室表面228。
在图10A、11和12中分别示出的DBD等离子体点火器400A、400B、400C的示例构造中，着火尖端94(图9)包括中央电极292，所述中央电极292包括着火部分216和至少一个着火刺218。如图10A中所示的，中央电极292终结于限定刺尖端248的电极端部264，使得电极端部264还用作用于DBD等离子体点火器400A的着火刺218。在图10A-12所示的例子中，多个着火刺218可沿着火部分216轴向地分布，其中，着火刺218以磁轴向间距272与相邻着火刺218分隔开。着火部分216终结于电机端部264。每个着火刺218和电极端部264终结于刺尖端248。着火刺218设置形状为使得刺尖端248的横截面积相对于着火刺218的其余部分更小，并使得当高频电压施加至中央电极292时，在每个着火刺292处形成的电场集中在相应着火刺218的刺尖端248处。通过非限制性例子，着火刺218可为大体圆锥形形状，刺尖端248由圆锥形形状的顶点限定。在另一非限制性例子中，着火刺218可设置形状为大体三角形叶片，终结于由三角形顶点限定的刺尖端248处。当被激励时，等离子体点火器100可从刺尖端248以60Hz至10Mhz范围内的频率发射10kV至110kV范围内的电场。中央电极292和着火刺218由能够经受发动机10环境的高温和压力的高导电性材料制成。例如，中央电极292和着火刺218可由耐熔金属和/或耐熔金属的合金制造。在非限制性例子中，中央电极292和/或着火刺218可由含钨材料和/或含铱材料制造。
无意被理论限制，在被激励的几纳秒内，电场可在燃烧室24内生成多个自由基188。DBD等离子体点火器400可被选择性的激活，通过将高频电压施加至着火尖端94的中央电极292，以在每个刺尖端248处形成等离子体射流104。等离子体射流104的形成受介质壳体234的影响，使得形成着火刺218上的介质阻挡件的介质壳体234处的阻挡放电致使在将高电压施加至中央电极292期间等离子体射流104在每个着火刺218的尖端248处的持续形成、放电和更新，且使得以该方式形成的等离子体射流104自动传输并持续地形成在每个着火刺218的尖端248处，且由于发生在由壳体234形成的介质阻挡件处的电荷俘获而自动灭火，从而由如此形成的等离子体射流104在电弧放电前自动灭火。等离子体射流104点燃燃烧室24中的靠近着火部分216的可燃空气-燃料混合物，引起燃烧室24中的火焰发展和燃料燃烧。
在非限制例子中，DBD等离子体点火器400可被选择性地激励，通过将已知高频率电压施加至着火尖端91的中央电极292以发出等离子体射流104而进行，所述等离子体射流104生成形成具有已知电压的电场的多个自由基188。激励电压和生成的电厂电压可被选择以实现一定的点火特性，包括燃烧相位。例如，图7示出了对两个不同操作条件136、138的热释放速率130，其中，对于操作条件138的激励电压和生成的电场电压相对高于对于操作条件136的。通过使用操作条件138的相对较高的激励电压来激励DBD点火器400，燃烧相位相对于操作条件136被提前，如曲线138相对于曲线136向左(如纸面上所示)偏移所描绘的。类似地，通过使用操作条件136的相对较低的激励电压来激励DBD点火器400，燃烧相位相对于操作条件138被推迟，如曲线136相对于曲线138向右(如纸面上所示)偏移所示的。
DBD等离子体点火器400的构造可根据燃烧室24内的所期望的燃烧特性来选择。在一个例子中，DBD等离子体点火器400可构造为图10A中所示的DBD等离子体点火器400A，具有形成为介质壳体234的介质阻挡件214，使得当DBD等离子体点火器400A(图10)在等离子体放电事件期间被激励时，包括射流104的射流放电沿介质壳体234的壳体表面266生成，如图10A中所示的射流路径270所描绘的。在等离子体放电事件期间，DBD等离子体点火器400、400A生成一个或多个等离子体放电射流104，如图10B中所示的，所述射流104发源于安装凸起268并朝向壳体端部278传输。等离子体放电射流104可沿多个径向方向跨介质壳体234的表面266传输，并在刺尖端248处或附近终结于壳体端部278。每个射流104可还包括一个或多个从射流104散发的分支106。在此使用时，术语“射流”是指等离子体90的一部分，该部分具有伸长的、流动的、带状外观或特性，每个射流104可包括一个或多个分支106，所述分支则进一步从射流104突出或分叉。每个射流104和/或分支106可构造为用于激励燃烧室24内的空气，以由此生成多个自由基188。
在另一例子中，DBD等离子体点火器400可构造为图11中所示的等离子体点火器400B，其中，介质壳体234可与本体240的柄236成一体，且柄236可由介质材料214制造，使得在安装位置中，中央电极292延伸到燃烧室24中的长度完全被介质材料214包封。壳体234构造为使得介质阻挡件具有可变厚度，使得在壳体234的介质阻挡件中累积的电场随壳体234的厚度可变。在图11和12所示的例子中，壳体234限定壳体表面266，所述壳体表面266为大体圆柱形且与中央电极292共轴，使得壳体234在着火刺218之间的轴向长度上相对较厚，且随着着火刺218向着火尖端248渐缩而在壳体表面266和着火刺218之间厚度减小。使得介质壳体234在每个着火刺218的刺尖端248处最薄。作为例子，介质壳体234可构造为使得在刺尖端248处，在刺尖端248和壳体表面266之间的介质阻挡件214的厚度在0.5mm至2mm的范围内。壳体234终结于包封电极端部264的壳体端部278处。壳体端部278可设置形状为半圆形(图10A、11和12)。该例子是非限制性的，壳体端部278可相对于电极端部264的轮廓来另外设置形状和/或设置轮廓，以提供电极端部264的刺尖端248和壳体表面266之间的相对较薄的壳体厚度246。壳体端部278可设置形状为，例如，锥形端部、圆柱形端部、到棱圆柱形端部等。
在另一例子中，DBD等离子体点火器400可构造为具有形成为介质壳体234的介质阻挡件214且包括接地电极250的DBD等离子体点火器400C，使得当DBD等离子体点火器400C被激励时，射流放电104生成并限制在介质阻挡件214和接地电极250之间。在非限制性例子中，接地电极250为操作地附连至点火器本体240的大体圆柱形电极，使得接地电极250与中央电极292共轴并在接地电极250和中央电极292的着火部分216之间限定放电腔262。接地电极250由能够经受燃烧室24环境的高温和高压的导电材料制造。在一个例子中，接地电极250可由耐熔金属和/或耐熔金属的合金制造。在非限制性例子中，接地电极250可由含钨材料和/或含铱材料制造。
在所示例子中，接地电极包括多个接地刺258，它们沿大体圆柱形接地电极250的内表面纵向地延伸，且从所述内表面朝向着火部分216径向地延伸，例如，向内径向地延伸到放电腔262。放电间隙280限定在中央电极292和接地电极250的最靠近的邻近表面之间。在图12所示的例子中，放电间隙280由壳体表面266和接地刺258的刺尖端248之间的间隙限定。接地刺258相对于着火刺218分布和定位，使得存在于放电腔262中的接地刺258和着火刺218之间形成的多个射流，其可以或可以不彼此交叉，但遍及放电腔262径向地分布。
例如且如图12所示的，接地电极250附连至DBD等离子体点火器400C的端口端部252处的点火器本体240且围绕该点火器本体240，使得接地电极250限定端口接口244，且使得在安装位置中，接地电极250与汽缸盖18的点火器端口224接触。接地电极250在着火端部254断开，限定开孔256以允许空气-燃料可燃混合物从燃烧室24流动到接地电极250的放电腔262中。接地电极250进一步包括多个开口260，所述开口260形成在邻近着火部分216的接地电极250的圆柱形部分中。所述多个开口260在邻近着火部分216的接地电极的纵向长度上纵向地和径向地分布，以允许空气-燃料可燃混合物沿着火部分216的纵向长度从燃烧室24额外流动到接地电极的放电腔262中。开口256和所述多个开口260每个限定从放电腔262至燃烧室24的点火路径，使得多个点火路径沿DBD等离子体点火器400C延伸进入燃烧室24的整个纵向长度径向地和轴向地设置。所述多个开口260可特征在于多个火焰端口，使得火焰发展和燃料燃烧从着火部分216的全部长度径向地和轴向地分布，通过在多个火焰端口的每个处以及在从接地电极250的面向外的表面径向和轴向延伸的容积中点燃燃烧室24中的空气-燃料混合物而增加燃料燃烧效率。
DBD等离子体点火器400A、400B、400C的示例构造是非限制性的，DBD等离子体点火器400的其他构造可并入发动机10中，且构造为用于激励以在等离子体放电事件期间产生多个自由基，且构造为用于激活以点燃燃烧室24中的燃料14。通过例子，DBD等离子体点火器400A中所示的电极292(图10A)可并入在DBD等离子体点火器400B、400C的任一个(图11、12)中。在另一例子中，接地电极250可构造为没有接地刺258。
参考图4，披露了一种点燃燃烧室24内的燃料14的方法108。方法108包括将燃料14的第一部分112(图5)注射110到燃烧室24中。即，注射110可包括以期望的量和/或以曲轴12的期望旋转位置从燃料喷嘴68喷射第一部分112。这样的注射的量和定时可由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机控制单元。第一部分112的量以及注射110第一部分112的正时二者可根据燃烧室24内的进气40和燃料14的混合物的期望特性、阀协议64、和/或内燃发动机10的操作条件而选择。例如，第一部分112可为约1mg至约20mg燃料14，或约3mg至约15mg燃料14，或约9mg至约13mg燃料14，或约10.5mg燃料14。进一步地，注射110可发生在曲轴12的任何期望的旋转位置28。在参考图5描述的非限制性例子中，当曲轴12具有图5中所示的例子中的约-300度至约-270度的旋转位置28时，燃料喷嘴68可将燃料14的第一部分112注射到燃烧室24中，当曲轴12具有正好-270度或约-270度的旋转位置28时，燃料喷嘴68将燃料14的第一部分112注射到燃烧室24中。如参考图5所述的，方法108可还包括在激励114等离子体点火器100一次或多次以在燃烧室24中产生一组或多组多个自由基188之后、且在激活116等离子体点火器100以点燃燃烧室24中的燃料14之前将燃料14的第二部分212注射210到燃烧室24中。注射210可包括在注射第一部分122之后以期望的量和/或以曲轴12的期望旋转位置从燃料喷嘴68喷射第二部分212。因此，第一部分112和第二部分212被分开注射到燃烧室24中，并表示独一的或不同的燃料注射事件。换句话说，方法108可包括多次燃料14的喷射。
第二部分212的量以及注射210第二部分212的正时二者可根据燃烧室24内的进气40和燃料14的混合物的期望特性、阀协议64、和/或内燃发动机10的操作条件而选择。进一步地，第二部分212可小于、等于、或大于第一部分112。例如，第二部分212可为约1mg至约20mg燃料14，或约5mg至约15mg燃料14，或约10.5mg燃料14。进一步地，注射210可发生在曲轴12的任何期望的旋转位置28。作为非限制性例子，当曲轴12具有约-90度至约0度或约-60度至约-20度的旋转位置28时，燃料喷嘴68可将燃料14的第一部分212注射到燃烧室24中。在图5所示的例子中，当曲轴12具有正好-33度或约-33度的旋转位置28时，燃料喷嘴68将燃料14的第二部分212注射到燃烧室24中。第二注射可由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机控制单元。因此，第一部分112和第二部分212可被分开注射到燃烧室24中，并可表示独一的或不同的燃料注射事件。在图5所示的例子中，燃料14的第一部分112和第二部分212可在激活116等离子体点火器100以点燃燃烧室24中的燃料14之前被注射110、210到燃烧室24中。如图5所示的，激活116等离子体点火器100以点燃燃料14的事件与燃料14的第二部分212到燃烧室24中的第二注射事件210紧密相关，即，注射210和激活116以接近的时距(time proximity)以及在类似的起动条件下发生。在一个例子中，注射210第二燃料部分212和激活116等离子体点火器100的事件发生在彼此的6个曲柄角度内，优选地在彼此的2至4个曲柄角度的范围内。作为例子，图5示出发生在-33度曲柄角的燃料注射事件21和发生在-27度曲柄角的点火器激活事件116。
再次参考图4，方法108包括激励114燃烧室24内的等离子体点火器100以生成多个自由基188。这样的激励114可同样由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机控制单元。方法108可包括激励114等离子体点火器100以生成第一多个自由基188，以及之后去激励和再激励114等离子体点火器100一次或多次，以生成一组或多组后续的多个自由基188。如图4和5中指出的，等离子体点火器100的激励114以及后续的去激励和再激励114可在注射110燃料14的第一部分112之后、且在注射210燃料14的第二部分212之前发生。例如，当曲轴12具有约-270度至约-230度，或约-250度，的旋转位置28时，等离子体点火器100可被初始地激励，以在燃烧室24中生成第一多个自由基188。如图5中协议64所示的，当曲轴12具有约-200度至约-160度，或约-180度，的旋转位置28时，等离子体点火器100则后续可被去激励和再激励114，以生成第二多个自由基188。
再次参考图4和5，方法108还包括，在注射110、210燃料14的第一和第二部分112、212之后，且在激励114等离子体点火器100以生成一组或多组多个自由基188之后，激活燃烧室24内的点火器100以由此点燃燃料14。激活116等离子体点火器100，其可以例如是电晕放电等离子体点火器300或如上所述的DBD等离子体点火器400，其在燃烧室24内发起火焰102且由此点燃燃料14。因此，方法108可包括多个等离子体点火事件，这样的点火事件，即，激励114和激活116，可由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如包含发动机10的车辆的发动机制单元。在图4和5所示的例子中，激活116在激励114等离子体点火器100以后以及在将燃料14的第二部分212注射210到燃烧室24中之后发生。例如，当曲轴12具有约-30度至约0度或正好-27度或约27度的旋转位置28时，点火器100可被激活。
因此，方法108允许多个点火事件，即，通过燃烧室24中的等离子体点火器100进行激励114、去激励和再激励114、激活116。另外，方法108允许多个燃料注射事件，即，注射110第一部分112和注射210第二部分212，以优化燃料14在燃烧室24内的燃烧并由此优化内燃发动机的操作和性能。因此，方法108允许相对于将燃料14的多个部分112、212注射到燃烧室24内以及在燃烧室24内生成一组或多组多个自由基188的量、正时和/或持续时间来精确地控制和定制燃烧室24内的火焰发起的特定量、正时、和/或持续时间，且允许控制燃料燃烧期间的燃烧正时。
方法108可适于与用于操作内燃发动机10的正阀重叠(PVO)阀协议64(图5)和负阀重叠(NVO)阀协议(未示出)二者一起使用。特别地，对于PVO阀协议64和NVO阀协议中的每个，方法108包括，在活塞22的进气冲程54期间，将燃料14的第一部分112注射110到燃烧室24中，并后续地激励等离子体点火器100以在燃烧室24中生成第一多个自由基188，去激励等离子体点火器100，以及将进气阀34从就座位置42平移120(图5)至非就座位置44。进一步地，方法108包括，在活塞22的压缩冲程56期间以及在将进气阀34平移至就座位置42之后，再激励等离子体点火器100以生成第二多个自由基188，去激励等离子体点火器100，将燃料14的第二部分212注射21到燃烧室24中，以及后续地激活等离子体点火器100以点燃燃烧室24中的燃料14。
参考图6，所示的是燃烧室24内的燃烧热释放速率130(以焦耳每曲柄角度测量)和旋转位置28(以布置在燃烧室24内的活塞的角度测量)之间的关系的示意图，其中，等离子体点火器100构造为如图2所示的电晕放电等离子体点火器300。燃烧热释放速率130在此还称为热释放速率(HRR)130。在图6所示的例子中，发动机10在第一操作条件132和第二操作条件134下操作，以产生分别在图6中132、134处指示的HRR 130。在第一操作条件132期间，用于点燃燃烧室24中的燃料14的方法包括注射110燃料14的第一部分112、注射210燃料14的第二部分212，以及激活116电晕放电等离子体点火器300以点燃燃烧室24中的燃料14，如对于图5中所示的协议64所描述的。但是，在第一操作条件132期间，电晕放电等离子体点火器300没有被激励114，这样，没有在被激活116以点燃燃烧室24中燃料而生成针对第一操作条件132(图6中在132处标识)的HRR 130之前在燃烧室24中生成任何自由基188。
在第二操作条件134期间，图4中所示的方法108和图5中所示的协议64用于点燃燃烧室中的燃料14以针对第二操作条件134(在图6中134处标识)生成HRR 130。即，第二操作条件134包括电晕放电等离子体点火器300将燃料14的第一部分112注射110到燃烧室24中，随后激励114电晕放电等离子体点火器300以在燃烧室24中生成第一多个自由基188，随后去激励和再激励114电晕放电等离子体点火器300以在燃烧室24中生成第二多个自由基188，注射210燃料14的第二部分212，以及接下来激活电晕放电等离子体点火器300以点燃燃烧室24中的燃料14，以生成图6中134处所示的HRR 130。在所示例子中，激励电晕放电等离子体点火器300以生成自由基188由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机制单元，使得在所述多个自由基188的生成期间产生的电场的电压(激励电压)小于会在燃烧室24中产生电弧放电的电场的电压(电弧放电电压)。
仍参考图6，且如通过在第一和第二条件132、134下生成的HRR 130的比较所示的，燃烧相位可被提前，且燃烧室24中的HRR 130可在第二操作条件134相对于第一操作条件132期间增加，这通过根据图5中所示的协议64在注射110燃料14的第一部分112之后以及在注射燃料14的第二部分212之前生成一组或多组多个自由基188来进行。这样，在燃料14的第一和第二注射110、112之间附加生成一组或多组多个自由基188增加HRR130，且由此在内燃发动机10的操作期间、在操作条件134下(相对于操作条件132)增加燃烧室24内的燃烧效率和有效性，并使燃烧相位提前(例如，使HRR曲线134向HRR曲线132左侧(如纸面上所示的)偏移)，继而在操作条件134下相对于操作条件132提供燃料经济性和减少的排放。
现在参考图7，所示的是在示例操作条件132、136和138期间在燃烧室24内热释放速率(HRR)130之间的关系，其中，等离子体点火器100构造为介质阻挡放电(DBD)等离子体点火器400(图9)。在图7所示的例子中，发动机10在第一操作条件132以及第三和第四操作条件136、138下操作，以产生分别在图7中132、136和138处指示的HRR 130。在第一操作条件132期间，用于点燃燃烧室24中的燃料14的方法包括注射110燃料14的第一部分112、注射210燃料14的第二部分212，以及激活116所述DBD等离子体点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14，如对于图5中所示的协议64所描述的。但是，在第一操作条件132期间，DBD等离子体点火器400没有被激励114，这样，没有在被激活116以点燃燃烧室24中的燃料14而生成针对第一操作条件132(图7中在132处标识)的HRR 130之前在燃烧室24中生成任何自由基188。
在第三和第四操作条件136、138期间，图4中所示的方法108和图5中所示的协议64用于使用DBD等离子体点火器400来点燃燃烧室24中的燃料14(图9)，以生成分别在图7中的136、138处标识的HRR 130。即，第三和第四操作条件136、138中的每个包括DBD等离子体点火器400，其将燃料14的第一部分112注射110到燃烧室24中，随后激励114所述DBD等离子体点火器400以在燃烧室24中生成第一多个自由基188，随后去激励和再激励114所述DBD等离子体点火器400以在燃烧室24中生成第二多个自由基188，注射210燃料14的第二部分212，以及接下来激活所述DBD等离子体点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14，以生成分别在图7中136、138处所示的HRR 130。在所示例子中，激励DBD放电等离子体点火器400以生成自由基188由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机制单元，使得在所述多个自由基188生成期间产生的电场的电压(激励电压)以预定电压选择性地控制。在所示例子中，针对第三条件136在所述多个自由基188生成期间产生的电场的激励电压是第一预定电压，其小于第二预定电压，其中，针对第四条件138在所述多个自由基188生成期间产生的电场的激励电压以第二预定电压控制。在说明性实施例中，针对第三条件136产生的电场的激励电压是30千伏(kV)的第一预定电压，针对第四条件138产生的电场的激励电压是50kV的第二预定电压。
如图7中通过在第一条件132下生成的HRR 130与在第三和第四条件136、138下产生的HRR 130比较所示的，燃烧室24中的HRR 130可增加，且相对于第一操作条件132，在第三和第四操作条件136、138期间，燃烧相位可提前，这通过根据图5中所示的协议64在注射110燃料14的第一部分112之后且在注射210燃料14的第二部分212之前激励114所述DBD等离子体点火器400(图9)以生成一组或多组多个自由基188进行。这样，在燃料14的第一和第二注射110、112之间附加生成一组或多组多个自由基188增加了HRR 130，且由此在内燃发动机10的操作期间、在操作条件136、138下(相对于操作条件132)增加了燃烧室24内的燃烧效率和有效性，继而相对于操作条件132在操作条件136、138下提供燃料经济性和减少的排放。
仍参考图7，且如通过在第三条件136下生成的HRR 130与在第四条件138下产生的HRR 130比较所示的，燃烧室24中的HRR和燃烧事件的燃烧相位事件可相对于第三操作条件136在第四操作条件138期间增加，这通过激励114所述DBD等离子体点火器400(图9)以生成一组或多组多个自由基188来产生电场而进行，所述电场相对于在第三操作条件136下产生的电场的较低激励电压在第四操作条件138期间具有较高激励电压。如之前在此描述的，在说明性例子中，针对第三条件146产生的电场的激励电压是40伏，针对第四条件138产生的电场的激励电压是50伏。这样，选择性地增加在燃料14的第一和第二注射110、112之间生成一组或多组自由基188期间产生的电场的激励电压增加了HRR 130，如与针对第三条件136(图7中136处指示)的HRR 130比较、针对第四条件138(图7中138处指示)的相对较高HRR130所示的，且使燃烧相位提前，如针对第四条件138的HRR曲线130向针对第三条件136的HRR曲线130左侧(如纸面上所示的)偏移所示的。这样，增加在自由基188生成期间产生的电场的激励电压增加由此在内燃发动机10的操作期间、在第四操作条件138下(相对于第三操作条件136)增加燃烧室24内的燃烧效率和有效性，继而相对于操作条件136在操作条件138下提供改进的燃料经济性和减少的排放。
现在参考图8，所示的是在示例操作条件132、140、142和144期间在燃烧室24内热释放速率(HRR)130之间的关系，其中，等离子体点火器100构造为介质阻挡放电(DBD)等离子体点火器400(图9)。在图8所示的例子中，发动机10在第一操作条件132以及第三和第四操作条件140、142和144下操作，以针对第一、第五、第六和第七操作条件132、140、142、144产生HRR 130(分别在图8中132、140、142和144处指示)。在第一操作条件132期间，用于点燃燃烧室24中的燃料14的方法包括注射110燃料14的第一部分112、注射210燃料14的第二部分212，以及激活116所述DBD等离子体点火器400以点燃燃烧室中的燃料14，如对于图5中所示的协议64所描述的。但是，在第一操作条件132期间，DBD等离子体点火器400没有被激励114，这样，没有在被激活116以点燃燃烧室24中的燃料14而生成图8中在132处标识的HRR130之前在燃烧室24中生成任何自由基188。
在第五、第六和第七操作条件140、142和144期间，图4中所示的方法108和图5中所示的协议64用于使用DBD等离子体点火器400来点燃燃烧室24中的燃料14(图9)，以针对第五、第六和第七操作条件140、142和144生成HRR 130(分别在图8中的140、138处标识)。即，第五、第六和第七操作条件140、142、144中的每个包括将燃料14的第一部分112注射110到燃烧室24中，随后激励114所述DBD等离子体点火器400以在燃烧室24中生成第一多个自由基188，随后去激励和再激励114所述DBD等离子体点火器400以在燃烧室24中生成一组附加的多个自由基188，接下来注射210燃料14的第二部分212，以及接下来激活所述DBD等离子体点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14，以生成分别在图8中140、142和144处所示的HRR130。
第五、第六和第七操作条件140、142、144通过在执行方法108以将点燃燃烧室24中的燃料14期间生成的多组自由基188的数量而彼此区分且与操作条件132区分开。如前所述，在第一操作条件132期间，DBD等离子体点火器400没有被激励114，这样，没有在被激活116以点燃燃烧室24中的燃料14而生成针对第一操作条件(图8中在132处标识)的HRR 130之前在燃烧室24中生成任何自由基188。在第五操作条件140中，在注射110燃料14的第一部分112之后，DBD点火器400被激励114，在注射210燃料14的第二部分212之前被如图5中所示的去激励和再激励114以生成两组多个自由基188，然后随后激活116所述DBD点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14。在第六操作条件142中，在注射110燃料14的第一部分112之后，DBD点火器400被激励114，第一次去激励和再激励114，然后第二次去激励和再激励，根据方法108，以在注射210燃料14的第二部分212之前生成三组多个自由基188，然后随后激活116所述DBD点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14。在第七操作条件144中，在注射110燃料14的第一部分112之后，DBD点火器400被激励114以生成第一多个自由基，第一次去激励和再激励114以生成第二多个自由基，然后第二次去激励和再激励114生成第三多个自由基188，然后第三次去激励和再激励114以生成第四多个自由基，根据方法108(图4)以在注射210燃料14的第二部分212之前生成四组多个自由基188，以及然后随后激活116所述DBD点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14。
在所示例子中，DBD放电等离子体点火器400的生成自由基188的激励由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机制单元，使得在所述多个自由基188生成期间产生的电场的电压(激励电压)以预定电压选择性地控制。在所示例子中，针对第五、第六和第七条件140、142、144中的每个在所述多个自由基188生成期间产生的电场的激励电压是同一预定电压。在说明性例子中，针对第五、第六和第七操作条件140、142、144中的每个产生的电场的激励电压是40伏。
如图8中通过在第一条件132下生成的HRR 130与在第五、第六和第七操作条件140、142、144中的每个下生成的HRR 130比较所示的，燃烧室24中的HRR 130可增加，且相对于第一操作条件132，在第五、第六和第七操作条件140、142、144期间，燃烧相位可提前，这通过根据方法108(图4)和协议64(图5)在注射110燃料14的第一部分112之后且在注射210燃料14的第二部分212之前激励114所述DBD等离子体点火器400(图9)以生成一组或多组多个自由基188而进行。这样，在燃料14的第一和第二注射110、112之间附加生成一组或多组多个自由基188增加了HRR 130，且由此在内燃发动机10的操作期间、在操作条件140、142、144下(相对于操作条件132)增加燃烧室24内的燃烧效率和有效性，继而相对于操作条件132在操作条件140、142、144下提供燃料经济性和减少的排放。
仍参考图8，且如通过在第五、第六和第七操作条件140、142、144中的每个下生成的HRR 130的比较所示的，燃烧室24中的HRR 130可增加，且通过增加DBD等离子体点火器400(图9)被激励114以在注射燃料14的第一部分112之后且在注射210燃料14的第二部分212之前生成多个自由基188的次数，燃烧相位可提前，例如，通过增加在注射110燃料14的第一部分112之后且在注射210燃料14的第二部分212之前燃烧室24中生成的多个自由基的数量，可增加燃烧室24中的HRR30。如图8所示，包括四组多个自由基188的生成的、在第七操作条件144下产生的HRR 130(图8中144处指示的HRR 130)较高，与包括三组多个自由基188的生成的、在第六操作条件142下产生的HRR 130(图8中142处指示的HRR 130)比较，其显示出了燃烧相位的提前。如图8进一步所示，包括三组多个自由基188的生成的、在第六操作条件142下产生的HRR 130(图8中142处指示的HRR 130)较高，与包括两组多个自由基188的生成的、在第五操作条件142下产生的HRR 130(图8中142处指示的HRR 130)比较，其显示出了燃烧相位的提前。这样，使用方法108，增加在注射110燃料14的第一部分112之后且在注射210燃料14的第二部分212之前的多组自由基的数量，由此，相对于第六操作条件142、相对于第五操作条件140，相对于第一操作条件132，增加内燃发动机10操作期间、在第七操作条件144下的燃烧室24内的燃烧效率和有效性，继而提供在操作条件140、142、144下的改进的燃料经济性和减少的排放，其相对于操作条件132生成增加数量组的多个自由基。
使用第一、第二、第三、第四、第五、第六和第七操作条件132、134、136、138、140、142、144用于说明性目的，例如，以说明在使用方法108控制燃烧室24中的燃料14的点燃期间产生的HRR 130的相应操作条件之间的相对区别的作用，以及燃烧相位的相对区别的作用，且不意图为限制性的。例如，将理解的是，使用方法108可执行除这里描述的说明性例子之外的附加操作条件，这通过改变，例如，所使用的等离子体点火器100、300、400的类型、每个激励和激活事件的持续时间、通过生成所述多个自由基188产生的电场的激励电压(其中，激励电压对于在执行方法108期间生成的每组多个自由基188不同)、在执行方法108期间生成的多组自由基188的数量等而进行，以提供增加燃烧室24内的燃烧效率和有效性的方法108。作为说明性例子，激励事件的持续时间可以为0.1毫秒(ms)至5ms。作为说明性例子，激活事件的持续时间可以为0.1ms至5ms。
现在参考图13、14和15，图13示出点燃图1的燃烧室24内的燃料14的第二方法208，以通过图14中所示的协议164说明。现参考图14，披露了一种点燃燃烧室24内的燃料14的方法208。方法208包括激励114燃烧室24内的等离子体点火器100以生成一组或多组多个自由基188。这样的激励114可同样由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机控制单元。方法208可包括激励114等离子体点火器100以生成第一多个自由基188，以及之后去激励和再激励114等离子体点火器100一次或多次，以生成一组或多组后续的多个自由基188。如图13和14中指出的，等离子体点火器100的激励114以及后续的去激励和再激励114可在注射110燃料14的第一部分112之前发生，其在注射210燃料14的第二部分212之前发生。例如，如在图14中的协议164所示的，当曲轴12具有约-320度至约-280度，或约-300度，的旋转位置28时，等离子体点火器100可被初始地激励，以在燃烧室24中生成第一多个自由基188。如方法208(图13)和图14中的协议164所示的，当曲轴12具有约-250度至约-210度，或约-230度，的旋转位置28时，等离子体点火器100则后续可被去激励和再激励114，以生成第二多个自由基188。
再次参考图13和14，方法208包括在激励114等离子体点火器100以在燃烧室24中生成一组或多组多个自由基188之后将燃料14的第一部分112(图14)注射110到燃烧室24中。即，注射110可包括以期望的量和/或以曲轴12的期望旋转位置从燃料喷嘴68喷射第一部分112。这样的注射的量和定时可由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机控制单元。
第一部分112的量以及注射110第一部分112的正时二者可根据燃烧室24内的进气40和燃料14的混合物的期望特性、阀协议164、和/或内燃发动机10的操作条件而选择。例如，第一部分112可为约1mg至约20mg燃料14，或约3mg至约15mg燃料14，或约9mg至约13mg燃料14，或约10.5mg燃料14。进一步地，注射110可发生在曲轴12的任何期望的旋转位置28。在参考图14描述的非限制性例子中，当曲轴12具有图14中所示的例子中的约-210度至约-190度的旋转位置28时，燃料喷嘴68可将燃料14的第一部分112注射到燃烧室24中，当曲轴12具有正好-200度或约-270度的旋转位置28时，燃料喷嘴68将燃料14的第一部分112注射到燃烧室24中。如参考图13和14所述的，方法208可还包括在激励114等离子体点火器100一次或多次以在燃烧室24中生成一组或多组多个自由基188之后、在激励114等离子体点火器100一次或多次以在燃烧室24中产生一组或多组多个自由基188之后、且在激活116等离子体点火器100以点燃燃烧室24中的燃料14之前将燃料14的第二部分212注射210到燃烧室24中。注射210可包括在注射第一部分122之后以期望的量和/或以曲轴12的期望旋转位置从燃料喷嘴68喷射第二部分212。因此，第一部分112和第二部分212被分开注射到燃烧室24中，并表示独一的或不同的燃料注射事件。换句话说，方法108可包括多次燃料14的喷射。
第二部分212的量以及注射210第二部分212的正时二者可根据燃烧室24内的进气40和燃料14的混合物的期望特性、阀协议164、和/或内燃发动机10的操作条件而选择。如图14所示的，激活116等离子体点火器100以点燃燃料14的事件与燃料14的第二部分212到燃烧室24中的第二注射事件210紧密相关，即，注射210和激活116以接近的时距以及在类似的起动条件下发生。在一个例子中，注射210第二燃料部分212和激活116等离子体点火器100的事件发生在彼此的6个曲柄角度内，优选地在彼此的2至4个曲柄角度的范围内。作为例子，图14示出发生在-33度曲柄角的燃料注射事件21和发生在-27度曲柄角的点火器激活事件116。
进一步地，第二部分212可小于、等于、或大于第一部分112。例如，第二部分212可为约1mg至约20mg燃料14，或约5mg至约15mg燃料14，或约10.5mg燃料14。进一步地，注射210可发生在曲轴12的任何期望的旋转位置28。作为非限制性例子，当曲轴12具有约-90度至约0度或约-60度至约-20度的旋转位置28时，燃料喷嘴68可将燃料14的第一部分212注射到燃烧室24中。在图14所示的例子中，当曲轴12具有正好-33度或约-33度的旋转位置28时，燃料喷嘴68将燃料14的第二部分212注射到燃烧室24中。第二注射可由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机控制单元。因此，第一部分112和第二部分212可被分开注射到燃烧室24中，并可表示独一的或不同的燃料注射事件。在图14所示的例子以及方法208中，燃料14的第一部分112和第二部分212可在激活116等离子体点火器100以点燃燃烧室24中的燃料14之前被注射110、210到燃烧室24中。
再次参考图13和14，方法208还包括，在激励114等离子体点火器100以生成一组或多组多个自由基188之后、以及随后注射110、210燃料14的第一和第二部分112、212之后，激活116燃烧室24内的点火器100以由此点燃燃料14。激活116等离子体点火器100，其可以例如是电晕放电等离子体点火器300或如上所述的DBD等离子体点火器400，其在燃烧室24内发起火焰102且由此点燃燃料14。因此，方法208可包括多个等离子体点火事件，这样的点火事件，即，激励114和激活116，可由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如包含发动机10的车辆的发动机制单元。在图13和14所示的例子中，激活116发生在激励114等离子体点火器100以后以及在将燃料14的第一和第二部分112、212注射110、210到燃烧室14中之后。例如，当曲轴12具有约-30度至约0度或正好-27度或约27度的旋转位置28时，点火器100可被激活。
因此，方法208允许多个点火事件，即，通过燃烧室24中的等离子体点火器100进行激励114、去激励和再激励114、激活116。另外，方法208允许多个燃料注射事件，即，注射110第一部分112和注射210第二部分212，以优化燃料14在燃烧室24内的燃烧并由此优化内燃发动机的操作和性能。因此，方法208允许相对于将燃料14的多个部分112、212注射到燃烧室24内以及在燃烧室24内生成一组或多组多个自由基188的量、正时和/或持续时间来精确地控制和定制燃烧室24内的火焰发起的特定量、正时、和/或持续时间。
方法208可适于与用于操作内燃发动机10的正阀重叠(PVO)阀协议164(图14)和负阀重叠(NVO)阀协议(未示出)二者一起使用。特别地，对于PVO阀协议164和NVO阀协议中的每个，方法208包括，在活塞22的进气冲程54期间，激励等离子体点火器100以在燃烧室24内生成第一多个自由基188，去激励的聊志同道合100，再激励等离子体点火器100以生成第二多个自由基188，去激励等离子体点火器100，以及将进气阀34从就座位置42平移120(图5)至非就座位置44。进一步地，方法208包括，在活塞22的压缩冲程56期间以及在将进气阀34平移至就座位置42之后，将燃料14的第一部分112注射110到燃烧室24中，然后将燃料13的第二部分212注射210到燃烧室24中，以及随后激活等离子体点火器100以点燃燃烧室24中的燃料14。
参考图15，所示的是燃烧室24内的HRR 130(以焦耳每曲柄角度测量)和旋转位置28(以布置在燃烧室24内的活塞的角度测量)之间的关系的示意图，其中，等离子体点火器100构造为如图9所示的介质阻挡放电(DBD)等离子体点火器400。在图15所示的例子中，使用方法208在第一操作条件146和第二操作条件148下操作发动机10，以产生分别在图15中146、148处指示的HRR 130。在第一操作条件146期间，用于点燃燃烧室24中的燃料14的方法包括注射110燃料14的第一部分112、注射210燃料14的第二部分212，以及激活116所述DBD等离子体点火器400以点燃燃烧室中的燃料14，如对于图14中所示的协议164所描述的。但是，在第一操作条件146期间，DBD等离子体点火器400没有被激励114，这样，没有在注射110、120燃料14的第一和第二部分112、212之前以及在被激活116以点燃燃烧室24中的燃料14而生成针对第一操作条件132(图15中在146处标识)的HRR 130之前在燃烧室24中生成任何自由基188。
在第二操作条件148期间，图13中所示的方法208和图14中所示的协议164用于点燃燃烧室中的燃料14以生成在图15中148处标识的HRR 130。即，第二操作条件148包括激励114所述DBD等离子体点火器400以在燃烧室24中生成第一多个自由基188，随后去激励和再激励114所述DBD等离子体点火器400以在燃烧室24中生成第二多个自由基188，随后将燃料14的第一部分112注射110到燃烧室24中，接下来注射210燃料14的第二部分212，以及接下来激活所述DBD等离子体点火器400以点燃燃烧室24中的燃料14，以生成分别在图15中148处所示的HRR 130。在所示例子中，DBD放电等离子体点火器400以生成自由基188由合适的控制器(未示出)和/或计算系统控制，例如车辆的发动机制单元，使得在所述多个自由基188生成期间产生的电场的电压(激励电压)可以是预定电压。在非限制性例子中，在对于方法208(图13)和协议164(图14)对应的操作条件148期间、在DBD等离子体点火器400的激励114期间产生的电场特征在于50伏的激励电压。
仍参考图15，且如通过在第一和第二条件146、148下生成的HRR 130的比较所示的，燃烧室24中的HRR 130可增加，且相对于第一操作条件146，在第二操作条件148期间，燃烧相位提前，这通过根据图14中所示的协议164在注射110燃料14的第一部分112之前且在注射210燃料14的第二部分212之前生成一组或多组多个自由基188进行。这样，在燃料14的第一和第二注射110、112之前附加生成一组或多组多个自由基188增加HRR130，且由此在内燃发动机10的操作期间、在操作条件148下(相对于操作条件146)增加燃烧室24内的燃烧效率和有效性，继而相对于操作条件146在操作条件148下提供燃料经济性和减少的排放。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (20)

1.一种点燃燃烧室内的燃料的方法，所述燃烧室由内燃发动机的汽缸体限定，所述方法包括：
将燃料的第一部分注射到燃烧室中；
其中，等离子体点火器延伸通过与汽缸体配合的汽缸盖且突出到所述燃烧室中；
其中，所述等离子体点火器构造为使得：
激励所述等离子体点火器在燃烧室内生成多个自由基；和
激活所述等离子体点火器在燃烧室内发出火焰以点燃所述室内的燃料；
该方法进一步包括：
在注射所述第一部分之后，激励所述等离子体点火器以生成第一多个自由基；
在生成所述第一多个自由基之后，将所述燃料的第二部分注射到燃烧室中；
在注射所述第二部分之后，激活所述等离子体点火器以由此点燃所述燃料。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
在生成所述第一多个自由基之后且在注射所述燃料的第二部分之前，去激励以及随后再激励所述等离子体点火器以生成第二多个自由基。
3.如权利要求2所述的方法，其中，注射所述第一部分和随后生成所述第一多个自由基发生在布置在所述燃烧室内的活塞的进气冲程期间，在该进气冲程中所述活塞在所述燃烧室中从第一位置行进至第二位置。
4.如权利要求3所述的方法，其中，生成所述第二多个自由基和随后注射第二部分发生在活塞的压缩冲程期间，在该压缩冲程中所述活塞在燃烧室内从第二位置行进至第一位置。
5.如权利要求2所述的方法，还包括：
在生成所述第二多个自由基之后且在注射所述第二部分之前，去激励以及随后再激励所述等离子体点火器以生成第三多个自由基。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：
在生成所述第三多个自由基之后且在注射所述第二部分之前，去激励以及随后再激励所述等离子体点火器以生成至少第四多个自由基。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体点火器是电晕放电等离子体点火器，其构造为使具有多个射流的等离子体放电到燃烧室中。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体点火器是介质阻挡放电等离子体点火器，其构造用于以下至少之一：使具有多个射流的等离子体放电到燃烧室中，和使具有沿介质阻挡放电等离子体点火器的着火部分的表面传输的多个射流的等离子体放电。
9.如权利要求8所述的方法，其中，激励所述等离子体点火器进一步包括激励所述等离子体点火器以产生具有10kV至110kV电压的电场。
10.一种点燃燃烧室内的燃料的方法，所述燃烧室由内燃发动机的汽缸体限定，所述方法包括：
激励等离子体点火器以在燃烧室内生成第一多个自由基；
其中，所述等离子体点火器延伸通过与汽缸体配合的汽缸盖且突出到所述燃烧室中；
其中，所述等离子体点火器构造为使得：
激励所述等离子体点火器在燃烧室内生成多个自由基；和
激活所述等离子体点火器在燃烧室内发出火焰以点燃所述室内的燃料；
该方法进一步包括：
去激励和随后再激励所述等离子体点火器以生成第二多个自由基；
在生成所述第二多个自由基之后，注射所述燃料的第一部分到燃烧室中；
在注射所述第一部分之后，注射所述燃料的第二部分到燃烧室中；
在注射所述第二部分之后，激活所述等离子体点火器以由此点燃所述燃料。
11.如权利要求10所述的方法，其中，生成所述第一和第二多个自由基发生在布置在所述燃烧室内的活塞的进气冲程期间，在该进气冲程中所述活塞在所述燃烧室中从第一位置行进至第二位置。
12.如权利要求11所述的方法，其中，注射所述第一部分发生在活塞的进气冲程完成以及压缩冲程开始时，在所述压缩冲程中，所述活塞在燃烧室内从第二位置行进至第一位置。
13.如权利要求12所述的方法，其中，注射所述第二部分发生在活塞的压缩冲程期间。
14.如权利要求12所述的方法，其中，
生成所述第一多个自由基发生在附连至所述活塞的曲轴处于第一旋转位置处时；
生成所述第二多个自由基发生在所述曲轴处于第二旋转位置处时；且
其中，第一和第二旋转位置之间的旋转差为25至150度。
15.一种内燃发动机，包括：
汽缸体，在其中限定燃烧室；
汽缸盖，与汽缸体配合，使得汽缸盖覆盖所述燃烧室；
燃料喷嘴，构造为用于将燃料注射到所述燃烧室中；
等离子体点火器，延伸通过所述汽缸盖并突出到所述燃烧室中；
其中，所述等离子体点火器构造用于当被激励时在燃烧室内生成多个自由基，且用于当被激活时发出火焰用于点燃燃烧室内的燃料；
其中，所述燃料在燃烧室内通过以下被点燃：
将燃料的第一部分注射到燃烧室中；
在注射所述第一部分之后，选择性地激励所述等离子体点火器以生成第一多个自由基；
在生成所述第一多个自由基之后，注射所述燃料的第二部分到燃烧室中；
在注射所述第二部分之后，激活所述等离子体点火器以由此点燃所述燃料。
16.如权利要求15所述的内燃发动机，其中，所述等离子体点火器构造为被选择性地激励以产生具有10kV至110kV电压的电场。
17.如权利要求16所述的内燃发动机，进一步包括：
控制器，构造为通过以下中的至少一个而控制发动机的燃烧相位：
选择性地激励所述等离子体点火器以生成至少第二多个自由基，使得燃烧相位提前；和
选择性地激励所述等离子体点火器，以产生具有预定电压的电场，其中，燃烧相位的提前通过所述预定电压限定。
18.如权利要求15所述的内燃发动机，其中，所述等离子体点火器是介质阻挡放电(DBD)等离子体点火器，其包括：
点火器本体，具有延伸到燃烧室中的柄；和
中央电极，从所述柄延伸到燃烧室中以限定着火部分；
其中，所述柄由介质材料制造；且
其中，所述着火部分包括由所述中央电极限定的至少一个着火刺。
19.如权利要求18所述的内燃发动机，其中，所述DBD等离子体点火器包括完全包封所述着火部分的介质壳体。
20.如权利要求18所述的内燃发动机，其中，所述DBD等离子体点火器包括大体圆柱形的接地电极，所述接地电极限定围绕所述中央电极的放电腔。
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