CN110291278B - 气门点火预燃室 - Google Patents

Abstract

提供了用于内燃发动机(2)的气门点火预燃室(1)，所述内燃发动机(2)包括燃烧室(5)，在所述燃烧室(5)中用中性气体或多或少稀释的主要装料(30)被点燃，所述预燃室(1)包括：分层腔(6)，点火装置(11)通向所述分层腔(6)并且分层喷射器(8)可以在压力下向所述分层腔(6)中喷射易燃引燃装料(9)；分层气门(13)，其能够特别是在所述燃烧室(11)中占优势的气体的压力的作用下关闭分层管道(7)的全部或部分。

Description

气门点火预燃室

技术领域

本发明的主题是一种气门点火预燃室，所述气门点火预燃室允许通过由火花点燃的引燃装料点燃被引入内燃发动机的燃烧室中的主要装料，所述预燃室被设计成优化所述引燃装料点燃所述主要装料的效率。

背景技术

根据现有技术的往复式内燃发动机的最大和平均效率相对较低。在汽车中，奥托循环(Otto-cycle)火花点火发动机的最大效率为大约百分之三十五，而在柴油循环发动机的情况下最高效率为大约百分之四十。关于目前汽车发动机使用的平均效率，火花点火发动机的平均效率最常低于百分之二十，而柴油发动机通常低于百分之二十五。

在所述发动机中，由燃料燃烧释放并且未被转换成有用功的能量的一部分主要以冷却系统中的热量和所述发动机的排气的形式消散。

除了效率低之外，汽车中使用的往复式内燃发动机产生对环境和健康有害的污染气体和颗粒。

尽管存在这些不利的特性，但是由于缺乏提供更好的能量、环境、功能和经济折衷的其他解决方案，所以奥托循环或柴油内燃发动机几乎装备在世界上流通的所有机动车辆上。

这种情况解释了发动机制造商为了通过各种方式改进内燃发动机的能量和环境平衡所做的重大研究和开发努力。这些努力特别旨在完善构成所述发动机的技术，并且向它们添加允许实施新策略的新特征。

在这些策略中，用中性气体或富含氧气的新鲜空气稀释往复式内燃发动机的空气和燃料装料。

发明内容

本发明涉及这种稀释，并且特别是旨在用于具有最常消耗汽油或天然气的火花点火的往复式内燃发动机。

用新鲜空气或用先前冷却的排气稀释火花点火发动机的装料允许提高所述发动机的平均和/或最大热力学效率。这导致减少产生相同有用功所需的燃料消耗。

当火花点火发动机以部分扭矩操作时，将稀释后的装料引入它的 (它们的)一个或多个气缸中产生的泵气损失小于引入未稀释的装料。所述损失的减少是由于稀释后的装料在相同的能量含量下更大的事实。因此，为了在所述一个或多个气缸中引入相同大小的能量，在所述发动机进气时通常通过节气门进行的节流不太明显，并且出现在所述进气口处的气体的压力较高。另外，由于在火花点火发动机的一个或多个气缸中引入相同的能量，稀释装料增加了后者的质量和总热容量。因此，在所有其他条件相同的情况下，所述装料的燃烧在较低温度下进行。除了减少燃烧产生的氮氧化物的量之外，所述低温还减少了一个或多个气缸的壁处由于所述装料将其热量的一部分传递到所述壁而导致的热量损失。

最后，特别是如果装料用氧气不足或甚至缺氧的中性气体稀释，则所述装料对空气燃料混合物的不受控自燃不太敏感。所述自燃引起嘎嘎声，这是一种特征在于爆震燃烧的非期望现象，它使火花点火发动机的性能恶化并损坏构成火花点火发动机的机械部件。通过装料的稀释提供的对嘎嘎声的减敏允许所述发动机以更高的压缩比操作，或者以在性能方面可能最有利时间触发的点火来操作，或者进行这两者。

在稀释后的空气和燃料装料的这种特定背景下，以化学计量操作的火花点火发动机不同于在过量空气下(也被称为“稀燃”)操作的所述发动机。

以化学计量操作的发动机仅与三元催化剂兼容，所述三元催化剂是本身被认为对因燃烧产生的污染物进行后处理的设备。所述催化剂负责燃烧未在热发动机的燃烧室中燃烧的碳氢化合物。这种燃烧的产物是已经存在于大气中的水蒸气和二氧化碳。所述三元催化剂还完成了对众所周知的受污染的一氧化碳的氧化以将它转化为二氧化碳，并且还原氮氧化物以将它们转变为大气二氮，所述大气二氮构成大约百分之七十八的陆地大气并且本质上是无污染的。

通过三元催化还原氮氧化物要求被引入发动机中的装料是化学计量的，即，它含有所述装料中所含的碳氢化合物的燃烧所需的适量氧气。

过量的氧气使三元催化剂不可能还原氮氧化物。因此，不可能通过三元催化剂对以过量空气操作的发动机的排气中所含的氮氧化物进行后处理。

这就解释了使用过量空气操作的发动机现在容纳专门被设计为还原氮氧化物的装置(诸如氮氧化物捕集器)或用尿素选择性催化还原氮氧化物的装置以便满足日益严格的环境法规的原因。所述装置通常放置在二元氧化催化剂的出口处，所述二元氧化催化剂先前燃烧了未燃烧的碳氢化合物并且已经完成对一氧化碳的氧化，并且越来越多地完成对微粒过滤器的氧化。

鉴于柴油发动机在空气过量的情况下自然地操作，自从Euro VI 标准在欧洲生效以来，几乎所有欧洲柴油汽车都配备了对氮氧化物进行后处理以将它转变为二氮的装置。

这些装置的问题在于它们较为昂贵、复杂，并且它们的尺寸和维护要求很高，以至于所述装置几乎专门用在实际上仅能用过量空气操作的柴油发动机上。

就火花点火发动机而言，发动机制造商尽一切办法努力使它们以化学计量工作，使得它们保持与三元催化剂兼容，就此而言，所述火花点火发动机是简易且廉价的。

为了从火花点火发动机的装料的稀释引起的减少燃料消耗中受益，而不必遭受氮氧化物捕集器或用于用尿素选择性催化还原氮氧化物的装置的特定经济缺点，因此必须用缺乏氧气的中性气体而不是用富氧空气来稀释所述发动机的装料。

这种缺乏氧气的中性气体通常通过回收发动机本身的排气而获得，所述气体不再含有氧气并且可用且充足。该策略以“排气再循环”或首字母缩略词“EGR”的名称而众所周知。

所述气体在高温下在火花点火发动机的排气口处离开，为了防止它们使被引入所述发动机中的装料过热，必须在它们与新鲜气体混合之前降低它们的温度。该策略被称为“冷却后EGR”，所述策略规定再循环排气在它们与由所述发动机接收的新鲜气体混合之前被冷却。法国发动机制造商使用“法式英语”术语“EGR refroidi”，这易于理解且易于使用。

出于至少两个目的，需要预先冷却EGR气体。

首先，由火花点火发动机接收的EGR气体/新鲜气体混合物的温度必须保持为低，使得当以全扭矩操作时所述发动机的容积效率保持为高。实际上，对于给定的进气压力，被引入所述发动机的一个或多个气缸中的所述混合物的质量对于所述混合物为低温更重要。如果所述发动机由涡轮增压器或任何其他装置进行机械涡轮增压，则EGR 气体的预冷却更加重要。

其次，EGR气体/新鲜气体混合物越热，它就更大程度地导致发出嘎嘎声，这对所述发动机的性能是有害的。

问题是用冷却后EGR稀释的装料缺乏氧气。这是矛盾的，因为它也是特别为装料保持化学计量和抗嘎嘎声而寻求的目标。这种氧气耗尽的结果是燃烧更难以实现初始化，并且其形成比当未用冷却后 EGR稀释所述装料时更慢。

在火花点火发动机中，通过在彼此相距十分之几毫米的两个电极之间形成高温电弧来进行燃烧的初始化。

当空气燃料装料被冷却后EGR更大程度地稀释时，电弧通过总体氧气和燃料不足的混合物。如果偶然地，火花塞的阴极和阳极之间的十分之几毫米的空间不包含可充分燃烧的EGR气体/新鲜气体混合物，则会导致不点火风险增加，因为实际上不可避免地会在燃烧室的三维空间中产生非均质性，其中气窝比其他处更富含氧气和/或燃料。

如果燃烧按预期初始化，则装料中包含的燃料能量开始作为热量释放并且开始形成火焰。为了实现该过程，所述火焰以连续步骤在可燃层中相继地将其热量传递给周围的EGR气体/新鲜气体混合物。每一层通过前一层达到其点火温度、燃烧、并释放热量，所述热量传送到下一层，依此类推。根据链式反应的原理，火焰在火花点火发动机的燃烧室的三维空间中传播。

冷却后EGR的主要问题是它使得燃烧难以初始化，然后由于 EGR温度的整体降低以及由于在燃烧室的体积内并因此在火焰的路径上发现的燃烧剂和/或燃料的不同程度的丰富性而因此大大减慢了初始化的形成。

此外，通过实验观察到，冷却后EGR中的装料含量越高，发动机就会变得越不稳定。从某个给定的含量开始，发生不点火并且效率降低-直到随后趋于随着装料的冷却后EGR含量而提高。在所述EGR 的某个含量之外，火花点火发动机停止，燃烧不能初始化。

还观察到排气中的未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳含量与装料的冷却后EGR含量同时增加。这是由于混合物气窝太贫而不能被火焰在其路径上适当地燃烧，并且边界层火焰群在发动机燃烧室的冷内壁附近增厚。

仍然在实验中还观察到点火功率越高，就越可以增加装料的冷却后EGR含量而不会大幅改变发动机的稳定性。

因此，许多研究实验室-诸如美国的西南研究所-已经开发出越来越强大的电子点火装置以便扩大装料的冷却后EGR含量的可接受极限。当然，该策略的目的是提高火花点火发动机的效率。

电子点火功率逐步上升的问题在于它们的性能随着其功率迅速降低。因此需要越来越多的电力来实现越来越少的附加点火功率。

另外，只有当火花塞的电极彼此远离以提供更多机会来使火花穿过可燃烧气窝时或者只有当火花的持续时间增加或者只有当火花重复时，才会对高电力感兴趣。这导致电压和电力越来越高，从而使得火花塞的电绝缘的实现更加复杂，同时大大缩短了火花塞的寿命。

点燃装料的困难也是由于冷却后EGR为了通过所有方式降低机械涡轮增压式火花点火发动机对嘎嘎声的敏感性的目的而对所述火花点火发动机更加感兴趣的事实所引起的。然而，增压压力越高，在火花致动时火花塞的电极之间的EGR气体/新鲜气体混合物的密度就越大，并且需要越多的电压来引起火花。基于此，冷却后EGR不会沿着正确方向流动，因为在引入相同能量到发动机气缸中的情况下，电极之间的气体质量以及所述气体对点火的阻力增加。

应注意，属于本申请人的第FR 2 986 564号专利是对这些问题的稳健响应。在所述专利中提到的用于内燃发动机的火花点火和高压分层装置提出在高压下，在火花塞的中心并且在触发火花之前不久，喷射大约化学计量的引燃装料，所述引燃装料是高度可燃的，因为未用冷却后EGR稀释并且可能略微富含燃料。

一旦通过所述装置喷射，所述引燃装料就浸泡火花塞的电极，一旦在所述电极之间形成电弧，所述装料就会立即点燃并释放其所含的能量。因此，所述装料本身就是点火装置，它的功率比允许点燃它的电弧的功率大几百到几千倍。实际上不可能仅用电动装置获得这种点火功率。

实际上，经验表明，使用这种装置可以实现大约百分之五十的冷却后EGR率，而使用最强大的电子点火装置大约只有百分之三十。

应注意，在第FR 2 986 564号专利中所采用的方法以相关形式见于发明人FredN.Sauer和J.Brian Barry发表的第4,319,552号美国专利或见于属于博世公司的第DE 4140 962 A1号专利。

在任何情况下，Orbital公司的第US6564770号专利号都不属于这一类，因为本专利的目的是确保在相对较低的压力下尽可能均质地构成主要装料，而并非形成引燃装料以用于用EGR稀释的主要装料的点燃目的。

第FR 2 986 564号专利和刚刚提到的相关专利中描述的装置的问题不在于燃烧的初始化(它是非常有效的)，而是在于所述燃烧的形成。特别是，当主要装料中所含的燃料的燃烧部分达到约百分之五十时，难以进行燃烧，使得燃烧所有主要装料所需的总时间大于燃烧未用冷却后EGR冷却的所有主要装料所需的时间。

结果，由于燃烧太慢形成而导致冷却后EGR损失部分潜在能量增益。

然而，如果一方面可以同时在主要装料的冷却后EGR含量大约为百分之五十的情况下与在稳定性和总燃烧持续时间与发现在所述同一发动机燃烧未稀释装料时所述发动机上的稳定性和总燃烧持续时间相当的情况下操作火花点火发动机，则可以发现冷却后EGR有最大效益。

所述解决方案可以来源于预燃室的使用，在所述预燃室中将引入引燃装料，所述预燃室能够容纳火花塞的电极，并且甚至形成所述火花塞的整体部分，如在第4,319,552号美国专利申请中所提出的。

这种预燃室的第一优点是它可以保持引燃装料尽可能靠近火花塞的电极，这可以限制在所述装料点火之前所述装料在火花点火发动机的主燃烧室中的分散。

所述预燃室的第二优点是，引燃装料一旦被点燃就会对所述预燃室加压，所述预燃室经由包括在所述预燃室中的孔将热气火炬高速送入火花点火发动机的主燃烧室。

这种通过火炬点燃主要装料的方式是非常有效的，因为火焰在燃烧室的多个位置初始化并且径向地从室的周边朝向室的中心并且切向地在每个火炬之间形成，而不是像普通火花塞点火那样从燃烧室的中心开始。

因此，燃料的能量在很短的时间内被释放，这有利于火花点火发动机的热力学效率，因为不仅触发在有用功方面更具生产力，而且因为对因这种快速燃烧引起的嘎嘎声的最轻微敏感性允许以明显更高的容积比操作发动机。

无论如何，第4,319,552号美国专利或者在属于本申请人的专利 FR 2,986,564或前面提到的相关专利中提出的解决方案不能与涉及将燃料单独喷射到预燃室或不将燃料喷射到预燃室以及不将空气和燃料的混合物喷射到预燃室的众多专利相比。

在这些专利中，将提及例如为人熟知的来自<<Fluid Research Limited>>的第GB2 311 327 A号美国专利、来自<<Tice Technology Corp>>的第4,864,989号美国专利、来自<<Ford Motor Company>>的第4,239,023号美国专利、来自发明人Dieter Kuhnert的第4,892,070 号美国专利、来自发明人Radu Oprea和Edward Rakosi的第 2001/0050069 A1号美国专利或来自发明人William Attard的第 2012/0103302 A1号美国专利，根据以上专利的原则，被称为“湍流喷射点火”的点火系统由德国公司<<Mahle>>针对一级方程式发动机而开发。

这些专利中提出的解决方案(所述解决方案与“稀燃”火花点火发动机有关并且它们的唯一目的是由于整个装料的燃料含量低但含氧量丰富而丰富点火点周围的燃料装料)与专利FR 2 986 564和相关专利中提出的解决方案(主要提出火花点火发动机在以装料为冷却后 EGR高度稀释的情况下操作并且它们的目的是由于整个装料的燃料含量和含氧量都很低而在点火点附近构成富含燃料和氧气的混合物) 之间确实存在根本区别。

在该阶段中，已经看到，如第FR 2 986 564号专利中所提出的，喷射由空气和燃料组成的高度可燃的引燃装料以用所述装料包围火花塞的电极允许有效地点燃用EGR高度稀释的主要装料。

还可以看出，一旦所述主要装料被点燃，燃烧就会迅速进行，直到所述装料中所含的约百分之五十的燃料总量被燃烧。超过所述百分之五十，燃烧形成得更慢，使得从主要装料的某个EGR含量开始，火花点火发动机的热力学效率降低而不是如预期的那样提高。

假设-如第4,319,552号美国专利中所提出的那样-将引燃装料喷射到其中容纳火花塞电极的预燃室中，超过百分之五十的后一燃烧形成问题将全部或部分地得到解决。

实际上，所述预燃室将通过其孔喷射高速推动的热气火炬，这将在点火点周围的大径向长度上初始化燃烧，而且也会使火焰前锋起皱，这将促进垂直于所述火炬形成火焰。

然而，由于许多原因，这种最后的解决方案可能被证明是不令人满意的，其中一些原因导致特别是在火花点火发动机的背景下放弃基于预燃室的点火装置。

实际上，为了起作用，预燃室必须具有突出圆顶，所述突出圆顶充分地穿透到发动机的燃烧室中，使得孔(所述孔被所述圆顶暴露并且热气通过所述孔喷射以形成火炬)被充分地定位在所述室内部使得所述火炬不会卷过所述发动机的冷内壁。

然而，一旦燃烧在预燃室中初始化，后者所含的气体就会迅速升高压力并通过所述孔高速喷射。在这样做时，所述气体加热所述圆顶。

一旦主要装料的燃烧已经初始化，发动机的燃烧室中占优势的压力迅速超过预燃室中占优势的压力，使得热气沿相反方向通过圆顶的孔，再次加热后者。

在火花点火发动机的活塞使气体膨胀期间，所述预燃室中占优势的压力变得大于发动机燃烧室中占优势的压力。结果，预燃室中所含的热气第三次通过所述孔，进一步使所述圆顶过热。

然而，从某个温度开始，突出圆顶表现得像Stuart Herbert-Akroyd 发明并在1891年12月4日的专利CHD4226中描述的内燃发动机的点火系统一样的“热球”。这样的热点然后可能导致主要装料进行无意的非火花控制点火。可能伴有的嘎嘎声可能会损坏甚至破坏火花点火发动机。

一种解决方案可以是彻底冷却所述圆顶以防止它成为热点。然而，所得热量输出的发生一方面是以热气火炬的效率为代价的(所述热气火炬的温度和速度在它们通过所述圆顶中的孔期间降低)，并且另一方面是以火花点火发动机的热力学效率为代价的。

因此，如前所述，预燃室必须不能表现得像“热球”点火装置一样，或者至少在选取时间而不是在不受控制时间可靠地触发主要装料的燃烧的初始化。

这涉及冷却所述预燃室的能够触发自燃的热部件，但是必须这样做的前提是不会大幅降低所述预燃室在容纳主要装料的发动机的燃烧室的三维空间中扩散热气火炬的效力。

另外，应注意，带来高压的空气燃料引燃装料的构成在能量方面不是自由的。首先需要压缩空气(这需要由火花点火发动机本身驱动的压缩机)，然后将燃料喷射到所述空气中。另一种策略可以在于直接压缩先前构成的空气燃料混合物。

因此，由于其不可忽略的能量成本，在相同的点火效率下，与主要装料相比，引燃装料的质量和压力越小，火花点火发动机在高EGR 率下操作时的最终能量平衡就越好。因此，为了点燃装料，必须尽一切可能相对于所述引燃装料的质量和压力赋予引燃装料最高可能的特定效率。

换句话说，在相同的点火效率下，引燃装料必须包含之前置于尽可能低的压力下的可能最少量的空气燃料混合物。

因此，必须尽可能地避免引燃装料在其点火之前分散在主要装料中，因为这种分散降低了引燃装料点燃主要装料的特定效率并且只能通过增加所述引燃装料的质量来抵消，这样做是以火花点火发动机的燃料效率为代价的。

分散特别是起因于喷射器所需的时间，所述喷射器将引燃装料引入到预燃室中以便在必须大于主要装料的压力下对所述引燃装料执行喷射。

还应注意，主要装料的压力保持大致恒定，而主要装料的压力在火花点火发动机的活塞朝向其上止点上升之后在其压缩的作用下保持增加。因此，引燃装料的喷射开始在大于所述喷射结束的压差下进行。结果，喷射器对引燃装料的组成气体在喷射开始时的喷射速度大于喷射结束时的喷射速度。

在喷射引燃装料之前，预燃室中的压力低于发动机的压缩室中占优势的压力。因此，当所述装料被压缩时，主要装料的一部分首先进入所述预燃室中。

然后，喷射器将引燃装料喷射到预燃室中，在所述预燃室中所述引燃装料与主要装料的具有高EGR含量并且先前被引入所述预燃室中的一部分混合。

然后，由于所述部分引起的过量气体质量被引燃装料的一部分排出预燃室，所述部分与高EGR含量气体混合进出预燃室。

因此，由空气、燃料和EGR构成的混合物的可燃性在预燃室的体积中和预燃室之外必然是非均质的。因此，引燃装料尽可能快地点燃的效力降低，热气火炬点燃主要装料的效率也降低。

这种效率降低只能通过引燃装料的空气和燃料质量的增加来抵消，这是以火花点火发动机的总能效为代价的。

理论上，因此应尽一切可能避免在引燃装料点火之前将引燃装料分散在主要装料中。

这并未以任何方式质疑改进由第FR 2 986 564号专利描述的装置将非常有利的事实。实际上，所述装置在非常高水平的冷却后EGR 下初始化燃烧和形成所述燃烧方面是有效的，直到主要装料中所含的约百分之五十的燃料的一部分被燃烧。

目的是赋予装置能够非常快速地形成所述燃烧，直到燃烧至少百分之九十或百分之百的所述燃料的一部分。

如前所述，这可以通过第4,319,552号美国专利所建议的预燃室来实现，但前提是可以规避这种所述预燃室的众所周知的、可能较为严重的缺陷。为此，必须显著提高所述预燃室的效力，这包括避免所述预燃室表现得像“热球”，从而防止引燃装料分散在主室中，并限制压缩所述引燃装料所需的能量大小，同时保持相同的点火效率。

所有这些目的都通过根据本发明的气门点火预燃室来解决，根据特定实施例，所述气门点火预燃室允许：

·通过将热气通过所述圆顶中的并且通过其喷射所述气体的孔的次数大约除以三来实现大幅减小被预燃室暴露的突出圆顶所受到的热装料，以便防止所述圆顶温度过高，并且防止所述圆顶成为可能导致主要装料无意中自燃的热点；

·最小化引燃装料的质量和压力不仅对于用EGR高度稀释的主要装料的燃烧的初始化而且对于所述燃烧的快速形成直到所有所述主要装料都燃烧是必需的；

·为了实现最后这个目的，避免在预燃室中喷射所述引燃装料期间引燃装料分散在主要装料中。

为了实现所有这些目的，根据本发明的气门点火预燃室允许：

·当预燃室中占优势的压力低于燃烧室中占优势的压力时，预燃室保持关闭，以便避免热气通过设置在突出圆顶中的并且所述预燃室通过其与所述室连通的孔非所需地来回流动；

·在引燃装料的大部分喷射时间内预燃室保持关闭，使得所述喷射在封闭空间中进行，在所述封闭空间中所述引燃装料的气体不能与主要装料的气体混合；

·降低引燃装料的质量和喷射压力，同时保持通过突出圆顶中的孔的热气的高压和喷射速度。

气门点火预燃室被设计成大规模生产的成本低廉，以便与它预期针对的大多数应用(包括汽车)的经济约束保持兼容。

应理解，根据本发明的气门点火预燃室可以应用于任何火花点火旋转或线性内燃发动机，而不论它的类型、它消耗的燃料(气态、液态或固态)为何以及它的主要装料是否被冷却后EGR、任何性质的中性气体、或富含氧气的气体或任何其他可燃剂稀释。

还应理解，由根据本发明的气门点火预燃室容纳的引燃装料可以包含与构成火花点火发动机的主要装料的燃料和/或燃烧剂不同的燃料和/或燃烧剂。

提供了根据本发明的用于内燃发动机的点火预燃室气门，所述内燃发动机包括气缸盖，所述气缸盖盖住气缸以形成其中可以燃烧主要装料的燃烧室，所述预燃室包括：

·至少一个分层腔，其一方面被布置在所述气缸盖中并且通过分层管道连接到所述燃烧室并且另一方面容纳分层喷射器，所述分层喷射器能够直接或间接地向所述腔中喷射先前由压缩装置加压的引燃装料，所述装料由能够易于被火花点燃的燃烧剂/AF燃料混合物组成；

·点火装置，其通向所述分层腔并且能够点燃所述引燃装料；

·分层气门，其能够关闭所述分层管道的全部或部分，并且一方面暴露受到所述分层腔中占优势的气体压力的腔侧面，并且另一方面暴露受到所述燃烧室中占优势的气体的压力的室侧面，所述分层气门能够在所述气体的压力的作用下相对于所述管道在所述分层腔中占优势的所述压力低于所述燃烧室中占优势的所述压力时朝向所述分层腔平移，或者在所述室中的所述压力低于所述分层腔中的所述压力时朝向所述室平移；

·至少一个腔侧气门止动件，其确定所述分层气门最靠近所述分层腔的位置；

·至少一个室侧气门止动件，其确定所述分层气门最靠近所述燃烧室的位置。

根据本发明的气门点火预燃室包括分层气门，当所述分层气门最靠近所述分层腔时，所述分层气门关闭所述分层管道的全部或部分，而当所述分层气门被定位成最靠近所述燃烧室时，所述分层气门在较宽部分上打开所述管道。

根据本发明的气门点火预燃室包括腔侧气门止动件，所述腔侧气门止动件由被布置在所述分层管道中或所述管道的任一端处的气门关闭座组成，所述座与位于所述分层气门的周边和/或端部处的腔侧支承表面配合。

根据本发明的气门点火预燃室包括气门关闭座和腔侧气门座，所述气门关闭座和腔侧气门座在它们彼此接触时形成密封，所述密封防止任何气体在所述燃烧室中占优势的所述压力大于所述分层腔中占优势的所述压力时在所述接触处通过。

根据本发明的气门点火预燃室包括室侧气门止动件，所述室侧气门止动件由被布置在所述分层管道中或所述管道的任一端处的气门打开座组成，所述座与位于所述分层气门的周边和/或端部处的室侧支承表面配合。

根据本发明的气门点火预燃室包括气门打开座和室侧气门座，所述气门打开座和室侧气门座在它们彼此接触时形成密封以便防止任何气体在所述接触处通过。

根据本发明的气门点火预燃室包括分层气门，所述分层气门在其周边包括引导装置，所述引导装置将所述气门保持在所述分层管道中大致居中，并且与所述管道大致在同一纵向取向上，而无论所述气门相对于所述管道的轴向位置如何。

根据本发明的气门点火预燃室，当所述气门打开座和所述室侧气门支承表面彼此接触时，所述分层气门与所述分层管道形成火炬点火预燃室，所述火炬点火预燃室同时一方面与所述分层腔连通并且另一方面经由至少一个气体喷射孔与所述燃烧室连通。

根据本发明的气门点火预燃室包括所述火炬点火预燃室的内周壁，所述内周壁为圆柱形，而所述分层气门具有圆形周边并且以低径向间隙容纳在所述预燃室中。

根据本发明的气门点火预燃室包括分层管道，所述分层管道打开成以突出喷射圆顶的形式突出到所述燃烧室中，所述喷射圆顶容纳所述火炬点火预燃室并且所述气体喷射孔从所述喷射圆顶打开。

根据本发明的气门点火预燃室包括气门打开座，所述气门打开座被布置在所述突出喷射圆顶中。

根据本发明的气门点火预燃室，当所述分层气门被定位成靠近所述燃烧室时，即，在与其配合的所述室侧气门止动件附近或甚至与所述室侧气门止动件接触时，所述气门露出将所述分层腔与所述燃烧室连接的至少一个气体喷射孔。

根据本发明的气门点火预燃室包括点火装置，所述点火装置由点火火花塞组成，所述点火火花塞关闭穿孔连接管的第一端，所述穿孔连接管横穿所述分层腔的内部体积的全部或部分并且它的主体被至少一个径向狭槽径向横穿，所述至少一个径向狭槽将所述管的内部与所述内部体积连接，而所述管的第二端容纳所述分层管道和所述分层气门，并且所述火花塞的中心电极和接地电极容纳在所述穿孔连接管内部。

根据本发明的气门点火预燃室包括腔侧面，所述腔侧面暴露空气动力学圆顶。

根据本发明的气门点火预燃室包括腔侧面，所述腔侧面形成接地电极，所述接地电极面向包括在点火火花塞的中心电极，所述火花火花塞构成所述点火装置。

根据本发明的气门点火预燃室包括分层气门，所述分层气门在其周边处比在其中心处轴向更厚，所述周边容纳所述腔侧气门支承表面和所述室侧气门支承表面。

附图说明

通过非限制性示例给出的以下参考附图的描述将有助于更好地理解本发明、其特征和它可能提供的益处：

图1是根据本发明的气门点火预燃室的示意性剖视图，所述气门点火预燃室可以安装在内燃发动机的气缸盖中。

图2是根据本发明的气门点火预燃室的示意性剖视图，当包括在所述气门点火预燃室的分层气门中的腔侧气门支承表面与和其配合的气门关闭座接触时，所述分层气门可以完全关闭分层管道，而当所述分层气门搁置在其室侧气门止动件上时，所述气门形成容纳在突出喷射圆顶中的火炬点火预燃室。

图3至图8是根据本发明的并且根据图2中所示的特定配置的气门点火预燃室的示意性截面的局部特写视图，所述特写视图示出了所述预燃室的各个操作阶段。

图9是根据本发明的气门点火预燃室的示意性剖视图，所述气门点火预燃室结合了图2中所示的主要特征，所述主要特征被添加有径向狭槽所穿过的径向穿孔连接管，所述管穿过分层腔的内部体积并且与点火火花塞一体形成，而分层气门的腔侧面形成接地电极，所述接地电极面向包括在所述火花塞中的中心电极。

图10是根据本发明的并且根据图9中所示的实施例的气门点火预燃室的三维视图。

图11是根据本发明的并且根据图9中所示的变型实施例的气门点火预燃室的剖开纵向截面的三维视图。

图12是根据本发明的并且根据图9中所示的可选实施例的气门点火预燃室的分解三维视图。

具体实施方式

图1至图12示出了气门点火预燃室1、其部件、其变型和其附件的各种细节。

在图1中可以看出，气门点火预燃室1专门被设计用于内燃发动机2，所述内燃发动机2包括气缸盖3，所述气缸盖3盖住气缸4以与活塞31一起形成其中可以燃烧主要装料30的燃烧室5。

在图1至图12中将注意到，根据本发明的气门点火预燃室1包括至少一个分层腔6，所述分层腔6一方面被布置在气缸盖3中并且通过分层管道7连接到燃烧室5，并且另一方面容纳分层喷射器8，所述分层喷射器8可以直接或间接地将先前由压缩装置10压缩的引燃装料9喷射到所述腔6中。

根据本发明，引燃装料9由易于被火花点燃的燃烧剂-AF燃料混合物组成。

图1、图2和图9示出了分层喷射器8，它包括在根据本发明的气门点火预燃室1中并且可以直接或间接地经由喷射器出口管道28 将引燃装料9喷射到分层腔6中。

分层喷射器8可以是任何类型的且没有限制，并且可以由能够通过任何操作程序将引燃装料9引入到分层腔6中的任何装置组成，而不论所述装料9中所含的燃烧剂-AF燃料混合物在气体或液体的另一种喷射器的可能辅助下或在本身已知的化油器的辅助下是形成在所述分层喷射器8的上游还是下游。

另外，分层腔6和分层管道7可以有利地涂覆有本身已知的耐火材料，或者由所述材料制成。可选地，可以在一方面分层腔6的至少一部分和/或分层管道7与另一方面容纳这些部件6、7的气缸盖3之间保留气隙，以便限制所述部件6、7与所述气缸盖3之间的热交换。

在图1至图12中还可以看出，根据本发明的气门点火预燃室1 包括点火装置11，所述点火装置11通向分层腔6并且可以点燃引燃装料9，所述装置11可以由本身已知的点火火花塞12组成。

在图1至图12中还注意到，根据本发明的气门点火预燃室1包括分层气门13，所述分层气门13可以关闭分层管道7的全部或一部分，并且一方面暴露受到分层腔6中占优势的气体的压力的腔侧面 14，并且另一方面暴露受到燃烧室5 中占优势的气体压力的室侧面15。

应注意，所述分层气门13可以在气体压力的作用下相对于分层管道7在所述分层腔6中的所述压力低于燃烧室5中占优势的压力时朝向分层腔平移，或者在燃烧室5中占优势的压力低于分层腔6中占优势的压力时朝向所述燃烧室平移。

应注意，分层气门13也可以在重力或加速度的作用下在分层管道7中移动，这不能被解释为任何优点或所需的操作模式。

可以强调，分层气门13可以由耐高温超合金制成并且保持尽可能轻，或者由诸如碳化硅的陶瓷材料制成。

除了刚刚描述的内容之外，还应注意，根据本发明的气门点火预燃室1包括至少一个腔侧气门止动件16，它确定分层气门13最靠近分层腔6的位置。这在图3至图8中特别明显。

另外，根据本发明的气门点火预燃室1包括至少一个室侧气门止动件17，它确定分层气门13最靠近燃烧室5的位置。

作为根据本发明的气门点火预燃室1的变型，应注意，当分层气门13最靠近分层腔6时，所述分层气门关闭分层管道7的全部或部分，而当所述分层气门被定位成最靠近燃烧室5时，所述分层气门在较宽部分上打开所述管道7。

特别在图3至图8中，应注意，腔侧气门止动件16可以由设置在分层管道7中或所述管道7的任一端处的气门关闭座18组成，所述座18与位于分层气门13的周边和/或端部处的腔侧支承表面19配合。

还应注意，气门关闭座18和腔侧气门支承表面19可以在它们彼此接触时形成密封，所述密封防止任何气体在燃烧室5中占优势的压力大于分层腔6中占优势的压力时在所述接触处通过。

作为另一个变型，室侧气门止动件17可以由设置在分层管道7 中或所述管道7的任一端处的气门打开座20组成，所述座32与位于分层气门13的周边和/或端部处的室侧支承表面21配合。

在这种情况下，气门打开座20和室侧气门支承表面21可以在它们彼此接触时形成密封以便防止任何气体在所述接触处通过。

图3至图8和图12明确表明，分层气门13可以在其周边包括引导装置22，所述引导装置22将所述气门13保持在分层管道7中大致居中，并且与所述管道7大致在同一纵向取向上，而无论所述气门 13相对于所述管道7的轴向位置如何。

在图2、图3、图6、图8和图9中，应注意，当气门打开座20 和室侧气门支承表面21彼此接触时，分层气门13可以与分层管道7 形成火炬点火预燃室23，所述火炬点火预燃室23同时一方面与分层腔6连通并且另一方面经由至少一个气体喷射孔24与燃烧室5连通。

在根据本发明的点火预燃室气门1的这个特定背景下，火炬点火预燃室23的内周壁可以为圆柱形，而分层气门13具有圆形周边并且以低径向间隙容纳在所述预燃室23中，使得所述在气门13与所述壁之间保留小的径向间隙，而无论所述气门13相对于所述预燃室23的位置如何，所述小的间隙形成受限通道，所述受限通道减缓气体通过分层腔6与燃烧室5之间。

图1至图12表明，根据本发明的气门点火预燃室1的特定实施例，分层管道7可以打开并以突出喷射圆顶25的形式突出到燃烧室 5中，所述喷射圆顶容纳火炬点火预燃室23并且气体喷射孔24从所述喷射圆顶打开。

应注意，气体喷射孔24可以或多或少地朝向燃烧室5取向，并且在突出喷射圆顶25的周边或多或少地切向地离开。另外，气体喷射孔24的几何形状可以根据离开所述孔口24的气体射流是否被设计成相当具有定向性的或者相当具有漫射性的而变化。作为示例，气体喷射孔24可以为圆柱形、圆锥形，或者形成会聚部或发散部。

有利地，并且如图1至图12中所示，气门打开座20可以被布置在突出喷射圆顶25中，后者可以涂覆有本身已知的减摩和/或不粘和 /或耐火材料，或者由所述材料制成。

从一般意义上来说，应理解，当分层气门13被定位成靠近燃烧室5时，即，在与其配合的室侧气门止动件17附近或甚至与所述室侧气门止动件接触时，所述气门13可以露出将分层腔6与燃烧室5 连接的至少一个气体喷射孔24。

如图9至图12中所示，点火装置11可以由火花塞12组成，所述火花塞关闭穿孔连接管26的第一端，所述穿孔连接管穿过分层腔 6的内部体积的全部或部分并且它的主体被至少一个径向狭槽27径向横穿，所述至少一个径向狭槽将所述管26的内部与所述内部体积连接，而所述管26的第二端容纳分层管道7和分层气门13，并且所述火花塞12的中心电极40和接地电极39容纳在穿孔连接管26内部。

应注意，在图9至图12中，穿孔连接管26可以是火花塞12的一部分，所述部分从所述火花塞的气门座延伸。在这种情况下，火花塞12通过形成在气缸盖3的气门座的外圆柱面上和/或形成在其延伸的穿孔连接管26的外圆柱面上的螺纹直接拧入气缸盖中。

可选地，火花塞12可以拧入所述管26中，而后者拧入气缸盖3 中。在所有情况下，在一方面气缸盖3与另一方面火花塞12和/或穿孔连接管26之间形成密封，在所述火花塞12处和在分层管道7处都形成密封。

图9至图12表明，腔侧面14可以暴露空气动力学圆顶29，它特别地允许通过对气流提供尽可能小的阻力并在所述气流中产生尽可能少的湍流来将所述气流引导朝向一个或多个气体喷射孔24。

图1至图12表明，根据本发明的气门点火预燃室1的特定实施例，腔侧面14可以形成接地电极39，所述接地电极39面向包括在火花塞12中的中心电极40，所述火花塞构成点火装置11，当高压电流从所述中心电极40流到所述接地电极39时，能够在所述接地电极 39与所述中心电极40之间形成电弧。

图1至图12进一步表明，分层气门13可以在其周边处比在其中心处轴向更厚，所述周边容纳腔侧气门支承表面19和室侧气门支承表面21。

该特性对所述气门13赋予径向厚度，所述径向厚度从所述气门 13的中心朝向其周边逐渐增加，使得所述气门13既可以是最轻的又可以是最耐冲击的，同时确保所述气门在其气门支承表面19、21与和所述支承表面19、21配合的气门座18、20之间的接触处尽可能有效地冷却。

本发明的操作模式：

当观察图1至图12时，容易理解根据本发明的气门点火预燃室1的操作模式。

可以看出，根据图1中所示的根据本发明的气门点火预燃室1的非限制性应用示例，所述预燃室1被实施在内燃发动机2中，所述内燃发动机2包括气缸盖3，所述气缸盖3盖住气缸4以与活塞31一起形成其中可以燃烧主要装料30的燃烧室5。

应注意，活塞31经由连杆38连接到曲轴37，当所述活塞31由气缸4中的交替平移运动驱动时，所述活塞31对所述曲轴37赋予旋转运动。

图1还表明，燃烧室5可以经由进气门34与进气道32连通，而所述室5可以通过排气门35与排气管道33连通。

图1至图8(在此作为用于示出根据本发明的气门点火预燃室1 的操作模式的示例)表明，所述预燃室1集成在气缸盖3中。所述图1 至图8还表明，点火装置11在此由本身已知的火花塞12组成，所述火花塞12的电极通向分层腔6。在图1和图2中还可以看到分层喷射器8，所述分层喷射器8可以经由喷射器出口管道28将引燃装料9 喷射到分层腔6中。

在图1中将注意到，由易燃的燃烧剂-AF燃料混合物组成的引燃装料9在其通过分层喷射器8喷射之前已经由形成压缩装置10的分层压缩机36加压。这也是根据本发明的气门点火预燃室1的实施例的非限制性示例，在此通过示例的方式示出了操作模式。

为了示出根据本发明的气门点火预燃室1的操作模式，在此假设内燃发动机2的容积比-不包括气门点火预燃室1的体积-是十四比一。为了获得该结果，提供了由活塞31扫掠的五百立方厘米的体积，而燃烧室5的体积是三十八点五立方厘米。

另外，并且作为非限制性示例，点火气门预燃室1的体积-包括分层管道7的体积和喷射器出口管道28的体积-在此为半立方厘米。

在此将使用图1至图8中所示的示例性实施例来详细描述根据本发明的气门点火预燃室1的操作模式，其中发现腔侧气门止动件16 由被布置在分层管道7中的气门关闭座18组成，所述座18与位于分层气门13的周边处的腔侧气门支承表面19配合。

在此选取气门关闭座18和腔侧气门支承表面19在它们彼此接触时形成密封，所述密封防止任何气体在燃烧室5中占优势的压力大于分层腔6中占优势的压力时在所述接触处通过。

还应注意，为了示出根据本发明的气门点火预燃室1的操作模式，还假设室侧气门止动件17由被布置在分层管道7中的气门打开座20组成，所述座32与位于分层气门13的周边处的室侧气门支承表面21配合。该特定配置在图3至图8中清楚可见。

在这种特定背景下，假设气门打开座20和室侧气门支承表面21 在它们彼此接触时形成密封以便防止任何气体在所述接触处通过。

特别是在图2、图3、图6和图8中，还应注意，当气门打开座 20和室侧气门支承表面21彼此接触时，分层气门13与分层管道7 形成环状火炬点火预燃室23，所述预燃室23同时一方面与分层腔6 连通并且另一方面经由若干气体喷射孔24与燃烧室5连通。

还应注意，火炬点火预燃室23的内周壁为圆柱形，而分层气门 13具有圆形周边并且以低径向间隙容纳在所述预燃室23中，使得所述在气门13与所述壁之间保留小的径向间隙，而无论所述气门13相对于所述预燃室23的位置如何，所述小的间隙形成受限通道，所述受限通道减缓任何气体经由所述小的间隙在分层腔6与燃烧室5之间的通过。

在图1至图8中还应注意，分层管道7打开成以突出喷射圆顶 25的形式突出到燃烧室5中，所述突出喷射圆顶25容纳火炬点火室 23并且从所述突出喷射圆顶打开气体喷射孔24，根据该示例，所述气体喷射孔24朝向燃烧室5取向。顺便应注意，气门打开座20被布置在突出喷射圆顶25中。

顺便提及，在图1至图8中可以看出，分层腔13的腔侧面14暴露空气动力学圆顶29，它特别地允许通过对气流提供尽可能小的阻力并在所述气流中产生尽可能少的湍流来将所述气流引导朝向气体喷射孔24。

还应注意，分层气门13在其周边处比在其中心处轴向更厚。该特征允许所述气门13既可以是最轻的又可以是最耐冲击的，同时确保所述气门在其气门支承表面19、21与和所述支承表面19、21配合的气门座18、20之间的接触处尽可能有效地冷却。作为一个非限制性示例，分层气门13可以由机械耐高温的超合金制成。

根据图1至图8中所示的根据本发明的气门点火预燃室1的实施例并且在此作为所述预燃室1的操作模式的图示，假设气体喷射孔 24的直径测量为百分之十二毫米，而分层气门13可以在气门关闭座 18与气门打开座20之间行进的最大总行程测量为十五分之一毫米。

为了理解根据本发明的气门点火预燃室1的操作模式，在此有用的是结合图3至图8将其操作分解为内燃发动机2的四个阶段。

可以认为，内燃发动机2利用由被称为“冷却后EGR”的冷却再循环排气高度稀释的大约化学计量的空气-汽油主要装料30来操作。因此，所述装料30能够抵抗点火并且决不会有助于在燃烧室5的三维空间中快速形成其燃烧。

因此，预期将由根据本发明的气门点火预燃室1实施的引燃装料 9必须具有最大效率，以便不仅初始化主要装料30的燃烧，而且还在最短的可能时间内形成所述燃烧。应理解，这两个目的直接由根据本发明的气门点火预燃室1提供。

根据本发明的气门点火预燃室1的非限制性实施例，在此为了示出其操作模式，假设引燃装料9包含主要装料30中所含的百分之一点六的燃料，所述引燃装料9由通过火花高度可燃的燃烧剂-AF燃料混合物组成。

由Otto/Beau de Rochas设计/构思的四冲程循环将根据通常的顺序在此进行分解。

在进气阶段中，内燃发动机2的活塞31向下进入与其配合的气缸4中，这导致将来自进气道32的并通过保持打开的进气门34的主要装料30引入气缸中。

在所述阶段期间，燃烧室5中占优势的压力低于分层腔6中占优势的压力。结果，如图3中所示，分层气门13保持压靠在与其配合的气门打开座20上，并且分层腔6经由火炬点火预燃室23通过气体喷射孔24与燃烧室5连通。

在活塞31已经到达其下止点后，入口气门34关闭，并且活塞 31开始在气缸4中上升到其上止点。

在这样做时，所述活塞31压缩主要装料30，并且燃烧室5中占优势的压力变得高于分层腔6中占优势的压力。

所述室5与所述腔6之间的压差更快地增加，因为一方面，气体喷射孔24的截面很小，并且另一方面，在分层腔13与火炬点火预燃室23的内壁之间保留小的径向间隙，而不论所述气门13相对于所述预燃室23的位置如何。

为了从燃烧室5到达分层腔6，主要装料30的组成气体实际上没有除气体喷射孔24之外的其他通道。

因为后者仅向所述气体保留有限通道部分，所以施加在腔侧面 14上的压力与施加在室侧面15上的压力之间的差异增大，这具有将分层气门13压靠在与其配合的气门关闭座18上的效果。图4明确地示出了这种情况。

应注意，分层气门13一方面破坏与分层气门和与分层气门配合的气门打开座20形成的接触并且另一方面与气门关闭座18接触所需的时间对应于曲轴37的几度旋转或者甚至对应于一度或两度的所述旋转，这些值仅供参考。

在这样做时，分层气门13关闭分层管道7并且燃烧室5不再与分层腔6连通。由于活塞31在气缸4中上升而在燃烧室5中继续增加的压力不再对分层腔6中占优势的压力产生任何影响，所述压力保持稳定。

在分层气门13关闭分层管道7之后数曲轴度，分层喷射器8开始将引燃装料9喷射到分层腔6中。图5示出了这种情况。所述装料 9的组成气体的温度根据该示例为大约八十度。

在分层气门13关闭分层管道7之后数曲轴度，分层喷射器8开始将引燃装料9喷射到分层腔6中。图5示出了这种情况。所述装料 9的组成气体的温度根据该示例为大约八十度。

计算喷射器的流速，使得分层腔6中占优势的压力总是保持低于燃烧室5中占优势的压力，使得分层气门13不会脱离经由其腔侧气门支承表面19与其配合的气门关闭座18。

在活塞31的上止点之前的数曲轴37度，燃烧室5中占优势的并且主要装料30所受到的压力已达到近四十巴，而分层腔6中的压力已达到二十巴。分层喷射器8停止将引燃装料9喷射到分层腔6中。

如图6中所示，当活塞31到达其上止点附近时，高压电流被施加到火花塞12的末端。后者点燃保持在分层腔6中的引燃装料9。

还应注意，在所述腔6中仅存在二十巴的压力允许仅将适度的电压施加到火花塞12的末端。

如图6中所示，引燃装料9由易燃的燃烧剂-AF燃料混合物组成，由火花塞12初始化的火焰在引燃装料9中非常快速地传播，所述引燃装料的温度同样快地上升，分层腔6中占优势的压力也是这样。

当所述压力达到例如四十五巴-即，比燃烧室5中占优势的压力高五巴时-分层气门13已经行进了十五分之一毫米。在这样做时，所述气门13已经脱离其与气门关闭座18的接触并且已经搁置在气门打开座20上。图6也示出了这种情况。

在其过程期间，分层气门13逐渐露出气体喷射孔24，并且例如已经达到约两千摄氏度的温度的热气开始以火炬形式通过所述孔口 24、经由火炬点火预燃室23和在突出喷射圆顶25处从分层腔6中排出。图6示出了由根据本发明的气门点火预燃室1提供的这种效果。

随着压力在分层腔6中继续上升，所述腔6中的压力现在比燃烧室5中占优势的压力高二十巴。结果，热气的压力在它们通过气体喷射孔24期间下降20巴，使得它们的温度下降到大约一千三百度。继而所述气体高速移动，这允许它们深深地穿透到燃烧室5的体积中。

在这样做时，所述热气点燃构成主要装料30的周围气体。除了以热量的形式释放燃料中所含的燃料能量之外，所述周围气体通过所述热气以高局部速度移动，所述速度以微湍流的形式实现。由所述微湍流引起的火焰前锋的起皱促进了燃烧的形成，所述燃烧迅速传播到整个主要装料30和燃烧室5的整个体积中。

应注意，根据本发明的气门点火预燃室1形成所述燃烧的效率更高，因为在突出喷射圆顶25周围形成的热气火炬在燃烧室5中的多个位置点燃主要装料30。

实际上，一旦从燃烧室5的中心到周边径向地初始化，所述装料 30的燃烧就会在第二阶段中从所述室5的周边径向地朝向所述室5 的中心形成，并且在经由气体喷射孔24从突出喷射圆顶25流出的每个热气火炬之间切向地形成。

一旦构成引燃装料9的燃烧剂-AF燃料混合物完全燃烧并且经由气体喷射孔24以热气喷射形式大量喷射，燃烧室5中就会形成燃烧，并且后者中占优势的压力迅速变得大于分层腔6中占优势的压力。

此外，一旦实现这种情况，分层气门13的室侧面15接收的压力就会大于施加在所述气门13的腔侧面14上的压力。由此得出，分层气门13快速地朝向分层腔6移动超过百分之十五毫米，并且紧密地压靠在与其配合的气门关闭座18上。图7示出了这种情况。

尽管所述装料30的“冷却后EGR”含量高，但主要装料30的燃烧非常快速地发生，所述燃烧在活塞31到达上止点之后仅数曲轴37度内完成。因此，内燃发动机2的热力学效率将能够达到其最大水平，因为在主要装料30的组成燃料中所含的所有能量已经被释放时，膨胀还几乎没有开始。

分层气门13如图7中所示保持关闭，然后活塞31开始其膨胀冲程并开始转变成主要装料30的热气和已燃烧气体的大部分热量的有用功。该功通过所述活塞31经由连杆38传输到曲轴37。

在这样做时，燃烧室5中占优势的压力和温度逐渐降低。例如，当所述压力达到六十巴时，保留在分层腔6中的压力变得大于燃烧室 5中占优势的压力。

由于这种情况，分层气门13的室侧气门座21恢复其与气门打开座20的接触，如图8中所示。分层气门13再次完全露出气体喷射孔 24，并且引燃装料9的残余热气经由所述孔24喷射，以便在主要装料30持续膨胀的同时通过活塞31膨胀。

一旦活塞31到达其下止点，排气门35就会打开，并且当所述活塞31在气缸4中朝向其上止点上升时，所述气体在被所述活塞31主动推回所述管道33中之前结束它们在排气管道33中的膨胀。

在活塞31的整个排气冲程期间，分层腔6可以完成从引燃装料 9经由气体喷射口24排出残余热气。这种排出也可能在进气阶段期间继续进行，这标志着Otto/Beau deRochas根据通常顺序设计/构思的新四冲程循环的开始。

从刚刚给出的解释中可以看出，与根据现有技术的已知装置不同，根据本发明的气门点火预燃室1允许将引燃装料9的喷射压力限制在大约二十巴。

这种相对较低的压力不仅可以限制分层压缩机36的能量消耗，而且还可以限制其复杂性，因为单个压缩级足以达到所述压力。

另外，主要装料30中仅包含百分之一点六的燃料足以确保所述装料30的强力点火-大约比常规火花点火强大两百倍-以及使所述点火发生在均质分布于燃烧室5的三维空间中的多个位置。

一方面引燃装料9的低压缩压力和另一方面所述装料9中所含的少量燃烧剂-AF燃料混合物都有助于最小化由分层压缩机36压缩所述引燃装料9所消耗的能量。

因此，这允许最小化分层压缩机36直接或间接施加在内燃发动机2的曲轴37上的功，这有助于最大化所述发动机2的最终能效。

另外，应注意，允许分层喷射器8将引燃装料9喷射到分层腔6 中的时间几乎等于根据由Otto/Beau de Rochas设计/构思的四冲程循环分配给内燃发动机2的压缩阶段的时间。这一方面允许限制所述喷射器8所寻求的动态，并且另一方面限制所述喷射器8的供应压力。这特别有助于降低所述喷射器8的成本和复杂性，同时赋予其更好的可靠性和更高的耐用性。

在将引燃装料9喷射到分层腔6中的整个持续时间期间，应注意，所述装料9与非常少的残余燃烧气体混合。在所述装料9进行火花点火之前，其中的所述燃烧气体的含量仅为约千分之一，这是非常低的。

结果，引燃装料9保持最大可燃性，当火花塞12点燃所述装料 9时，所述最大可燃性与仅20巴的压力相结合允许限制施加到所述火花塞12的末端的电压以实现所述点火。这导致为所述火花塞12提供动力需要较低功耗，并提高后者的耐用性。

应注意，在图3至图8的连续步骤中所示的操作序列期间，施加到突出喷射圆顶25的热装料减小到绝对最小值，因为上升到高温的气体通过气体喷射孔24仅一次，而对于根据现有技术的任何点火预燃室通过三次(这样的预燃室缺乏分层气门13)。

这种特殊性特别允许防止所述圆顶上升到过高温度并形成热点，所述热点易于引起主要装料的不合时宜且不受控制的点火，导致嘎嘎声并导致损坏甚至破坏内燃发动机2。另外，突出喷射圆顶25保持在低温的这种倾向性允许为内燃发动机2提供高压缩比且没有嘎嘎声风险。

因此，根据本发明的气门点火预燃室1允许产生在冷却后EGR 率高的情况下操作的火花点火内燃发动机2，而无论所述发动机2的装料和转速如何，并且不损害其燃烧稳定性。

由于所述EGR率高，所述发动机2的进气压力在部分装料下自然高于在没有冷却后EGR的情况下操作的相同设计的内燃发动机2 的进气压力。这减少了由进气压力调整装料引起的泵气损失，所述调整例如通过蝶形部操作。

另外，容纳根据本发明的气门点火预燃室1的内燃发动机2减少了热损失，所述发动机2每千瓦时产生的氮氧化物的量也减少。这是由于主要装料30的燃烧在较低的平均温度下操作的事实，所述较低平均温度归因于根据本发明的气门点火预燃室1在所述装料30中以高比例引入冷却后EGR所提供的可能性。

在这种背景下，通过根据本发明的气门点火预燃室1可以预期内燃发动机2的压缩比可以高于在没有冷却后EGR的情况下操作并且没有嘎嘎声风险的所述相同发动机的压缩比。这有利于所述发动机2 的效率。

还应注意，由根据本发明的气门点火预燃室1引起的泵气损失和热损失的减少降低了通过例如由涡轮增压器增加增压来显著减小 ISO扭矩和ISO动力引起的内燃发动机2的排量的需要。实际上，与现有技术相比，增压可以减少或不存在，同时保持高能效。

由根据本发明的气门点火预燃室1赋予的一组特性和优点允许获得成本价格适中、燃料消耗低、二氧化碳排放低的并且其污染物后处理通过简单的三元催化剂方式确保的内燃发动机2。

应注意，根据本发明的气门点火预燃室1可以应用于除内燃发动机之外的领域。所述预燃室1例如可以应用于气钉枪、枪械，或者应用于需要通过具有最高可能效率的引燃装料来对主要装料点火的任何装置。

根据本发明的气门点火预燃室1的可能性不限于刚刚描述的应用，并且还必须理解，前面的描述仅作为示例给出，并且不限制所述发明的范围，这将包括用于代替其中描述的那些实施例的任何其他等效实施例。

Claims (14)

1.一种用于内燃发动机(2)的气门点火预燃室(1)，所述内燃发动机(2)包括气缸盖(3)，所述气缸盖(3)盖住气缸(4)以形成燃烧室(5)，主要装料(30)能够在所述燃烧室(5)中燃烧，其特征在于，其包括：

·至少一个分层腔(6)，其一方面被布置在所述气缸盖(3)中并且通过分层管道(7)连接到所述燃烧室(5)并且另一方面容纳分层喷射器(8)，所述分层喷射器(8)能够直接或间接地向所述分层腔(6)中喷射先前由压缩装置(10)加压的引燃装料(9)，所述引燃装料(9)由能够易于被火花点燃的燃烧剂-AF燃料混合物组成；

·点火装置(11)，其通向所述至少一个分层腔(6)并且能够点燃所述引燃装料(9)；

·分层气门(13)，其能够关闭所述分层管道(7)的全部或部分，并且一方面暴露受到所述至少一个分层腔(6)中占优势的气体的压力的腔侧面(14)，并且另一方面暴露受到所述燃烧室(5 )中占优势的气体的压力的室侧面(15)，所述分层气门(13)能够在所述气体的压力的作用下相对于所述分层管道(7)在所述至少一个分层腔(6)中占优势的所述压力低于所述燃烧室(5)中占优势的所述压力时朝向所述至少一个分层腔(6)平移，或者在所述燃烧室(5)中占优势的所述压力低于所述至少一个分层腔(6)中占优势的所述压力时朝向所述燃烧室(5)平移；

·至少一个腔侧气门止动件(16)，其确定所述分层气门(13)最靠近所述至少一个分层腔(6)的位置；

·至少一个室侧气门止动件(17)，其确定所述分层气门(13)最靠近所述燃烧室(5)的位置，所述至少一个室侧气门止动件(17)由被布置在所述分层管道(7)中或所述分层管道(7)的任一端处的气门打开座(20) 组成，所述气门打开座(20)与位于所述分层气门(13)的周边和/或端部处的室侧气门支承表面(21)配合，使得所述气门打开座(20)和所述室侧气门支承表面(21)彼此接触，所述分层气门(13)与所述分层管道(7)形成火炬点火预燃室(23)，所述火炬点火预燃室(23)同时一方面与所述至少一个分层腔(6)连通并且另一方面通过至少一个气体喷射孔(24)与所述燃烧室(5)连通。

2.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，当所述分层气门(13)最靠近所述至少一个分层腔(6)时，所述分层气门(13)关闭所述分层管道(7)的全部或部分，而当所述分层气门(13)被定位成最靠近所述燃烧室(5)时，所述分层气门(13)在较宽部分上打开所述分层管道(7)。

3.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述至少一个腔侧气门止动件(16)由被布置在所述分层管道(7)中或所述分层管道(7)的任一端处的气门关闭座(18)组成，所述气门关闭座(18)与位于所述分层气门(13)的周边和/或端部处的腔侧气门支承表面(19)配合。

4.根据权利要求3所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述气门关闭座(18)和所述腔侧气门支承表面(19)在它们彼此接触时形成密封，所述密封防止任何气体在所述燃烧室(5)中占优势的所述压力大于所述至少一个分层腔(6)中占优势的所述压力时在所述接触处通过。

5.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述气门打开座(20)和所述室侧气门支承表面(21)在它们彼此接触时形成密封以便防止任何气体在所述接触处通过。

6.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述分层气门(13)在其周边包括引导装置(22)，所述引导装置(22)将所述分层气门(13)保持在所述分层管道(7)中大致居中，并且与所述分层管道(7)大致在同一纵向取向上，而无论所述分层气门(13)相对于所述分层管道(7)的轴向位置如何。

7.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述火炬点火预燃室(23)的内周壁为圆柱形，而所述分层气门(13)具有圆形周边并且以低径向间隙容纳在所述火炬点火预燃室(23)中。

8.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述分层管道(7)打开成以突出喷射圆顶(25)的形式突出到所述燃烧室(5)中，所述突出喷射圆顶(25)容纳所述火炬点火预燃室(23)并且所述至少一个气体喷射孔(24)从所述突出喷射圆顶(25)打开。

9.根据权利要求8所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述气门打开座(20)被布置在所述突出喷射圆顶(25)中。

10.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，当所述分层气门(13)被定位成靠近所述燃烧室(5)时，即，在与其配合的所述至少一个室侧气门止动件(17)附近或甚至与所述至少一个室侧气门止动件(17)接触时，所述分层气门(13)露出将所述至少一个分层腔(6)连接到所述燃烧室(5)的至少一个气体喷射孔(24)。

11.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述点火装置(11)由火花塞(12)组成，所述火花塞(12)关闭穿孔连接管(26)的第一端，所述穿孔连接管(26)横穿所述至少一个分层腔(6)的内部体积的全部或部分并且它的主体被至少一个径向狭槽(27)径向横穿，所述至少一个径向狭槽(27)将所述穿孔连接管(26)的内部与所述内部体积连接，而所述穿孔连接管(26)的第二端容纳所述分层管道(7)和所述分层气门(13)，并且所述火花塞(12)的中心电极(40)和接地电极(39)容纳在所述穿孔连接管(26)内部。

12.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述腔侧面(14)暴露空气动力学圆顶(29)。

13.根据权利要求1所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述腔侧面(14)形成接地电极(39)，所述接地电极(39)面向火花塞(12)所包括的中心电极(40)，所述火花塞(12)构成所述点火装置(11)。

14.根据权利要求3所述的气门点火预燃室，其特征在于，所述分层气门(13)在其周边处比在其中心处轴向更厚，所述周边容纳所述腔侧气门支承表面(19)和所述室侧气门支承表面(21)。

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