CN112983694A - 汽油发动机中伴有预燃室点火的进气加热 - Google Patents

Abstract

一种内燃汽油发动机包括空气加热器，该空气加热器与发动机的进气管道中的空气成热传递关系地耦合到进气管道。发动机的缸盖中还形成有预燃室。预燃室通过壁与燃烧室至少部分地隔开。穿过壁形成有一个或更多个孔，该一个或更多个孔提供从燃烧室到预燃室的流体连通路径，并将从来自燃烧室的空气和燃料的混合物送入到预燃室。孔还限定多个燃烧路径，还多个燃烧路径允许来自预燃室的被点燃的燃料和空气高效地进入燃烧室并在燃烧室内燃烧燃料和空气混合物。空气加热器和预燃室使燃烧效率从第一效率水平提高到大于第一效率水平的第二效率水平。

Description

汽油发动机中伴有预燃室点火的进气加热

技术领域

本公开涉及机动车辆，更具体地，涉及机动车辆的内燃汽油发动机的冷启动操作。

背景技术

机动车辆在世界各地的各种气候条件下使用。在一些地方，环境温度可以连续几个月在一天中的大部分时间保持在显著低于40°F。实际上，在类似的时间段内，一些区域可以保持在远低于0°F的温度。典型的机动车辆发动机能够根据发动机尺寸、压缩比、火花强度、电池电量等在如此低的温度下使用燃料和环境空气的混合物来启动。

然而，随着环境温度降低，内燃发动机的燃烧室内的温度可能不足以确保喷射燃料正常点火。由此引起的无效燃烧或不完全燃烧会导致排放增加，效率降低以及在特别寒冷的环境下催化转化器的使用期限缩短。

在一些情况下，发动机控制器标定旨在考虑低环境温度和改变燃烧特性，以提高催化剂起燃速度和提高燃烧效率及清洁度。在一些情况下，缸体加热器可以用于增加内燃发动机的缸体和/或燃烧室的温度。然而，缸体加热器从车辆的车载电源系统、外部电源供应器或两者中获取能量。此外，缸体加热器通常要求对机动车辆进行售后维修，从而增加了机动车辆的电气系统的复杂性。

因此，虽然当前的汽车内燃发动机的低环境温度启动系统和方法实现了其预期目的，但是本领域中仍需要改进的启动系统和方法来增加发动机和催化剂预热速率并减少排放，同时维持或降低发动机和/或电气系统的复杂性。

发明内容

根据本公开的几个方面，本公开提供了一种具有进气加热器的机动车辆内燃发动机，该内燃发动机包括缸盖，缸盖限定燃烧室的一部分。该发动机还包括进气管道，进气管道通过至少一个进气口将新鲜空气送入燃烧室，进气口穿过缸盖而形成。缸盖中设置至少一个燃料喷射器并选择性地被激活以向燃烧室供应燃料。缸盖中形成预燃室。预燃室通过壁与燃烧室至少部分地隔开。穿过壁形成有一个或更多个孔。该一个或更多个孔提供从燃烧室到预燃室的流体连通路径，并将来自燃烧室的空气和燃料的混合物送入到预燃室。空气加热器联接到进气管道并定位成与进气管道中的空气成热传递关系。该一个或更多个孔还限定多个燃烧路径，该多个燃烧路径允许来自预燃室的被点燃的燃料和空气混合物高效地进入燃烧室并在燃烧室内燃烧燃料和空气混合物。选择性激活支撑预燃室的空气加热器使得燃烧效率从第一效率水平提高到大于第一效率水平的第二效率水平。

在本公开的另一方面，该内燃汽油发动机还包括发动机缸体，发动机缸体限定至少一个汽缸，该汽缸具有纵向轴线。汽缸内安装有活塞，活塞在汽缸内沿纵向轴线滑动。活塞与汽缸和缸盖一起限定发动机的燃烧室。缸盖中设置至少一个进气阀，该至少一个进气阀作用在进气口上且控制进入燃烧室的空气量。至少一个传感器检测进气管道中空气的温度、发动机冷却剂温度或排气管道中废气的温度和化学成分。排气管道通过至少一个排气口与燃烧室连通，排气管道穿过缸盖形成并从汽缸中抽出废气。废气在空气和燃料的燃烧反应结束时形成。至少一个排气阀作用在排气口上且控制通过排气口离开燃烧室的废气量。供能装置向空气加热器提供电能。空气加热器将电能转换为热能，并将热能传递给进气管道中的空气，以在空气进入燃烧室之前对空气进行预加热。预燃室内的缸盖上安装有火花塞，火花塞在预燃室内起作用以周期性地且选择性地点燃预燃室中存在的燃料和空气混合物以引发燃烧反应。控制模块与空气加热器、供能装置、火花塞和该至少一个传感器电连通，控制模块具有用于存储控制逻辑的存储器、用于执行控制逻辑的处理器以及用于从该至少一个传感器、空气加热器和供能装置接收数据和用于向空气加热器、供能装置和火花塞发送指令的多个输入/输出端口。控制模块执行控制逻辑，以通过接合空气加热器对进气管道中的空气进行预加热来对进入燃烧室的空气进行预加热，以使燃烧室内空气和燃料混合物燃烧的燃烧效率从第一效率水平提高到第二效率水平。

在本公开的另一方面，空气加热器还包括加热元件和支撑结构。加热元件设置在进气管道中，支撑结构支撑加热元件并使加热元件定位成与进气管道中的空气接触。

在本公开的又一方面，加热元件包括多个180度弯曲部和定位在180度弯曲部之间的多个平面部分。支撑结构还包括定位成与多个平面部分相邻的多个凸缘部分，其中平面部分彼此间隔开并且定位成彼此基本平行。

在本公开的又一方面，加热元件限定滤芯，该滤芯设置在发动机缸盖内的进气管道中并与燃烧室相邻，该滤芯的一部分由导热材料形成。

在本公开的又一方面，加热元件包括进气口衬套。进气口衬套定形成容置在进气口中，并且包括气道部分，该气道部分允许空气流过进气口衬套并进入燃烧室。进气口衬套的至少一部分限定加热元件。加热元件由导热材料形成。

在本公开的又一方面，加热元件包括导热模制部件，该导热模制部件设置在发动机的进气歧管中。

在本公开的又一方面，在活塞朝缸盖运动期间，仅向预燃室送入燃烧室中存在的燃料和空气的混合物。

在本公开的又一个方面，预燃室和燃烧室之间的壁为凸形并伸入燃烧室。

在本公开的又一方面，预燃室的容积最大约为2立方厘米。

在本公开的又一方面，预燃室和燃烧室之间的壁包括多达十个孔。

在本公开的又一方面，一种在机动车辆的内燃发动机中对进气进行加热的方法包括利用具有缸盖的内燃发动机，该缸盖限定燃烧室的一部分。该发动机还包括进气管道，进气管道通过至少一个进气口将新鲜空气送入燃烧室，进气口穿过缸盖形成。缸盖中设置有至少一个燃料喷射器，该至少一个燃料喷射器选择性地被激活以向燃烧室供应燃料。缸盖中形成预燃室，预燃室通过壁与燃烧室至少部分地隔开。穿过壁形成有一个或更多个孔，该一个或更多个孔提供从燃烧室到预燃室的流体连通路径，并将从燃烧室来的空气和燃料的混合物送入到预燃室。该方法还包括将空气加热器定位成与内燃发动机的进气管道中的空气成热传递关系，空气加热器电气联接到供能装置和控制模块。该一个或更多个孔还限定多个燃烧路径，其允许来自预燃室的被点燃的燃料和空气混合物高效地进入燃烧室并在燃烧室内燃烧燃料和空气混合物。空气加热器和预燃室使燃烧效率从第一效率水平提高到大于第一效率水平的第二效率水平。

在本公开的又一方面，一种在机动车辆的内燃发动机中对进气进行加热的方法包括用设置在进气管道中的传感器来感测进气管道中空气的温度。该方法还包括当控制模块确定进气管道中空气的温度低于阈值温度时选择性地接合供能装置。该方法还包括通过利用供能装置向空气加热器提供电能来对进气管道中的空气进行预加热。空气加热器将电能转换为热能并在空气进入内燃发动机的燃烧室之前将热能传递给进气管道中的空气。该方法还包括用燃料喷射器将燃料喷射到燃烧室中并将从燃烧室来的空气和燃料的混合物送入到预燃室。预燃室形成在内燃发动机的缸盖中，并且容积最大约为2立方厘米。预燃室通过壁与燃烧室至少部分地隔开。穿过壁形成有一个或更多个孔。预燃室和燃烧室之间的壁为凸形并伸入燃烧室。该一个或更多个孔提供燃烧室和预燃室之间的流体连通路径。该方法还包括用火花塞点燃燃料和空气的混合物，火花塞安装在预燃室内。空气和燃料混合物在预燃室和燃烧室内高效地燃烧。该方法还包括使空气加热器选择性地断电并在燃烧室内高效地燃烧燃料和空气混合物。

在本公开的又一方面，将空气加热器定位成与进气管道中的空气成热传递关系还包括将在进气管道中安装空气加热器。空气加热器包括加热元件和支撑结构，该支撑结构支撑加热元件并将加热元件定位成与进气管道中的空气接触。

在本公开的又一方面，将空气加热器安装在进气管道中还包括利用加热元件，该加热元件具有多个180度弯曲部和定位在180度弯曲部之间的多个平面部分。安装空气加热器还包括利用支撑结构来支撑加热元件并将加热元件定位成与进气管道中的空气接触，该支撑结构包括定位成与多个平面部分相邻的多个凸缘部分，其中平面部分彼此间隔开并且定位成彼此基本平行。

在本公开的又一方面，将空气加热器安装在进气管道中还包括利用空气加热器，空气加热器限定滤芯。滤芯设置在发动机缸盖内的进气管道中并与燃烧室相邻。滤芯的一部分由导热材料形成，该部分限定加热元件。

在本公开的又一方面，将空气加热器安装在进气管道中还包括将进气口衬套安装在进气口中。进气口衬套定形成容置在进气口中，并且包括气道部分，该气道部分允许空气流过进气口衬套并进入燃烧室。进气口衬套的至少一部分限定加热元件。加热元件由导热材料形成。

在本公开的又一方面，将空气加热器安装在进气管道中还包括将空气加热器安装在内燃发动机的进气歧管中。空气加热器具有导热模制部件。

在本公开的又一方面，当活塞朝内燃发动机的缸盖运动时，发生将来自燃烧室的空气和燃料的混合物送入到预燃室。

在本公开的又一方面，送入空气和燃料的混合物还包括通过预燃室和燃烧室之间的壁上的孔送入空气和燃料的混合物，其中壁包括多达十个孔。

在本公开的又一个方面，该方法还包括当控制模块确定进气管道中空气的温度低于临界空气温度时，使空气加热器选择性地通电以使进气管道中空气的温度从第一温度提高到大于第一温度的第二温度。该方法还包括当控制模块确定进气管道中空气的温度高于阈值温度或者废气的温度和组成成分低于临界量值时，使空气加热器断电。

在本公开的又一方面，一种具有进气加热器的机动车辆内燃发动机包括限定至少一个汽缸的发动机缸体，该汽缸具有纵向轴线。该发动机还包括安装到发动机缸体并限定汽缸的轴端的缸盖以及安装在汽缸内并在汽缸内沿纵向轴线滑动的活塞，活塞与汽缸和缸盖一起限定发动机的燃烧室。该发动机还包括进气管道，该进气管道通过至少一个进气口将新鲜空气送入燃烧室，进气口穿过缸盖形成。缸盖中设置至少一个进气阀，该至少一个进气阀作用在进气口上且控制进入燃烧室的空气量。缸盖中设置有至少一个燃料喷射器，该至少一个燃料喷射器选择性地被激活以向燃烧室供应燃料。进气管道中和在排气管道中设置有至少一个传感器。该至少一个传感器检测进气管道中空气的温度、发动机冷却剂温度或排气管道中废气的温度和化学成分。排气管道通过至少一个排气口与燃烧室连通，排气管道穿过缸盖形成并从汽缸中抽出废气。废气在空气和燃料的燃烧反应结束时形成。至少一个排气阀作用在排气口上且控制通过排气口离开燃烧室的废气量。缸盖中形成有预燃室。预燃室通过壁与燃烧室至少部分地隔开。预燃室和燃烧室之间的壁为凸形并伸入燃烧室。穿过壁形成有一个或更多个孔。该一个或更多个孔提供从燃烧室到预燃室的流体连通路径并将从燃烧室来的空气和燃料的混合物送入到预燃室。在活塞朝缸盖运动期间，向预燃室送入燃烧室存在中的燃料和空气的混合物。空气加热器具有加热元件和支撑结构，该支撑结构支撑加热元件并将加热元件定位成与进气管道中的空气成热传递关系。供能装置向空气加热器提供电能。空气加热器将电能转换为热能，并将热能传递给进气管道中的空气，以在空气进入燃烧室之前对空气进行预加热。预燃室内的缸盖上安装有火花塞，该火花塞在预燃室内起作用以周期性地且选择性地点燃预燃室中存在的燃料和空气混合物，以引发燃烧反应。控制模块与空气加热器、供能装置、火花塞和至少一个传感器电连通，控制模块具有用于存储控制逻辑的存储器、用于执行控制逻辑的处理器以及用于从至少一个传感器、空气加热器和供能装置接收数据和用于向空气加热器、供能装置和火花塞发送指令的多个输入/输出端口。该一个或更多个孔还限定多个燃烧路径，其允许来自预燃室的被点燃的燃料和空气混合物高效地进入燃烧室并在燃烧室内进行燃料和空气混合物的高效燃烧。控制模块执行控制逻辑，以通过接合空气加热器对进气管道中的空气进行预加热来对进入燃烧室的空气进行预加热，以使燃烧室内空气和燃料混合物燃烧的燃烧效率从第一效率水平提高到大于第一效率水平的第二效率水平。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应当理解，说明书和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1A是根据本公开的一方面的一种机动车辆的环境图，该机动车辆具有用于在汽油发动机中进行伴有预燃室点火的进气加热的系统；

图1B是图1A中根据本公开的另一方面的机动车辆的一部分的示意图，示出了用于在汽油发动机中进行伴有预燃室点火的进气加热的系统的其他细节；

图2是根据本公开的一方面的一种用于在汽油发动机中进行伴有预燃室点火的进气加热的系统的空气加热器的透视图；

图3是内燃汽油发动机的缸盖和燃烧室的一部分的截面图，示出了根据本公开的一方面的用于在汽油发动机中进行伴有预燃室点火的进气加热的系统的预燃室点火部分；和

图4是根据本公开的一方面的一种操作用于在汽油发动机中进行伴有预燃室点火的进气加热的系统的方法。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参照图1A和图1B，一种机动车辆10得以示出，其具有用于在汽油内燃发动机12中进行伴有预燃室点火的进气加热的系统11。机动车辆10具有内燃发动机12和变速器14。在几个方面，发动机12是四冲程汽油燃料火花点火式发动机。然而，在本文中设想了其他实施例，包括但不限于以汽油、乙醇、氢气、天然气、丙烷、其他气态或液态燃料和/或混合燃料类型组合为燃料的发动机12。另外，发动机12可用于混合动力应用，其除了发动机12之外还包括一个或更多个动力源，诸如电池、燃料电池、电动机等。

发动机12是往复活塞型发动机，其具有一个或更多个在发动机12的汽缸18内沿基本上直线的路径运动的往复活塞16。活塞16通过活塞销24或其他类似的铰链联接器可旋转地连接到连杆20的连杆小端22。连杆20的连杆大端28轴颈连接到或可旋转地联接到曲轴26。大端28设置成在纵向上与每个连杆20的小端22相对。大端28的直径大于小端22。曲轴26由发动机缸体30可旋转地支撑并设置在发动机缸体30中。曲轴26还可旋转地联接到变速器输入32。变速器输出34通过驱动轴、差动齿轮组和至少一组半轴(未示出)耦合到驱动轮36。

发动机缸体30的上端终止于与缸盖44的界面处。缸盖44的一部分限定每个汽缸18的轴端。缸盖44、汽缸18和活塞16一起限定多个燃烧室46。燃烧室46具有可变容积，燃料和空气47在可变容积中受控地进行燃烧。燃料经由燃料喷射器48提供给燃烧室46。在不脱离本公开的范围或意图的情况下，燃料喷射器48可以采用多种形式。在一个示例中，燃料喷射器48安装到缸内直喷发动机中的缸盖44。在另一示例中，燃料喷射器48安装到多点电喷发动机的进气歧管50。进气歧管50安装到缸盖44。在又一示例中，燃料喷射器48是诸如汽化器的机械装置，其既接收空气47又接收燃料并将燃料-空气混合物分配到发动机12的进气歧管50中。

同样地，空气47经由形成在缸盖44中的进气口52提供给发动机的燃烧室46。每个进气口52中设置有进气阀54，进气阀54在发动机循环的预定部分期间选择性地阻塞或关闭进气口52。当进气阀54处于打开位置时，空气47流经进气口52进入汽缸18。随后，空气47和燃料在燃烧室46内混合，然后随着活塞16朝燃烧室46的顶部运动而被压缩。然后通过火花点燃空气-燃料混合物。火花由设置在缸盖44中的火花塞56产生。火花塞56在发动机循环期间的精确预定时间产生火花。在一些示例中，火花产生的时间由诸如发动机控制单元(ECU)60、发动机控制模块(ECM)或点火控制模块的车载控制模块58、诸如分配器的机械定时装置等控制。

控制模块58是非通用的电子控制设备，其具有预编程的数字计算机或处理器62、用于存储诸如控制逻辑、软件应用程序、指令、计算机代码、数据、查找表等数据的非暂时性计算机可读介质或存储器64以及收发器或输入/输出(I/O)端口66。存储器66包括能够由计算机存取的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器64。非暂时性计算机可读介质或存储器64不包括传输暂时性电信号或其他信号的有线通信链路、无线通信链路、光学通信链路或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质或存储器64包括可永久存储数据的介质和可存储并随后重写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储设备。计算机代码包括任何类型的程序代码或控制逻辑，包括源代码、目标代码和可执行代码。处理器16被构造成执行代码、控制逻辑或指令。在一些示例中，计算机代码包括一个或更多个应用程序，诸如构造成执行特定功能或功能组的软件程序。应用程序还可包括适于以合适的计算机可读程序代码实现的一个或更多个计算机程序、软件组件、指令组、过程、功能、对象、类、实例、相关数据或其一部分。应用程序可以存储在存储器64中或附加或单独的存储器64中。

再次参照图1A和图1B，进气歧管50附接到缸盖44，并将来自机动车辆10外部的空气47提供给发动机12的进气口。进气歧管50从缸盖44延伸到进气口68。图1A和图1B所示的示例的进气口68设置为紧邻机动车辆10的外表面70。然而，应当理解，进气口68的精确位置可能因应用而有很大不同，并且在一些示例中可能根本未紧邻外表面70。此外，应当理解，虽然进气口68在图1A和图1B中示出为单个进气管道73，但是其他构造也可行。在非限制性示例中，在一些应用中，进气口68形成为多个空气管道73，诸如在平坦或V形发动机构造中用于各排汽缸18的空气管道。在又一示例中，进气口68形成为多个进气管道73，使得发动机12中的每个汽缸18都有进气管道73。

在一些示例中，一个或更多个传感器74，诸如质量气流(MAF)传感器76、歧管绝对压力(MAP)传感器78、进气温度(IAT)传感器80、发动机冷却剂温度(ECT)传感器81等，可设置在进气口68、进气歧管50或两者上或进气口68、进气歧管50或两者中。同样地，在一些示例中，节流阀体82设置在进气歧管50中或进气口68中，或者设置在进气歧管50和进气口68之间，或者设置在进气歧管50和缸盖44之间。节流阀体82测量和/或控制流入发动机12的空气47的量。在一些示例中，节流阀体82是蝶形阀等。传感器74和节流阀体82以及各种其他电气和/或机电设备与ECU 60的I/O端口66进行通信。ECU 60的处理器62执行存储在存储器64中的控制逻辑或计算机可执行程序代码部分以管理或控制发动机12的各种操作。在一示例中，MAF传感器76、MAP传感器78和/或IAT传感器80读取进气口中空气47的质量流量、压力和/或温度，ECT传感器81检测在发动机12内循环的发动机冷却剂(未示出)的温度，且ECU60的I/O端口66接收量、压力和/或温度读数。I/O端口66将这些读数传送到处理器62，其中处理器62执行存储在存储器64中的控制逻辑以解释读数并向机动车辆10内的一个或更多个激活器或电子设备产生输出。因此，在从IAT传感器80接收到数据时，处理器62可以确定进气47的温度或ECT温度低于发动机12在理想冷启动操作下的预定阈值。然后，处理器62可执行控制逻辑，该控制逻辑经由I/O端口66发送到节流阀体82以控制节流阀体82在冷启动期间的特定位置。

再次参照图1A和图1B，空气47和燃料在燃烧室46内的燃烧反应导致活塞16在汽缸18内运动并释放热能和废气。废气和一些热能经由形成在缸盖44中的排气口84从燃烧室46逸出。每个排气口84中设置有排气阀86，排气阀86设置在在发动机循环的预定部分期间选择性地阻塞或关闭排气口84。因此，当排气阀86处于打开位置时，废气从燃烧室46流出并进入安装在缸盖44上的排气歧管88。在一些示例中，进气歧管50相对于进气歧管88安装在缸盖44上，然而，应当理解，其他构造也可行，并且不脱离本公开的范围或意图。

废气流过排气歧管88并流过一个或更多个催化转化器90。根据应用，发动机12可以配备有不同数量的催化转化器90。在一个示例中，发动机12配备有起燃催化转化器90a，起燃催化转化器90a设置在废气流中，正好位于排气歧管88的下游。次级催化转化器90b设置在废气流中并且位于起燃催化转化器90a下游。催化转化器90改变废气的化学成分，以减少或基本上消除内燃发动机产生的废气中对环境有害的成分。催化转化器90包括二元、三元和三元加氧化催化转化器90。为了高效地操作以成功地从废气中去除对环境有害的成分，通常需要将催化转化器90加热到预定工作温度范围。因此，在冷启动状况期间，诸如当机动车辆12停放了一夜时，催化转化器90需要一些时间才能达到预定工作温度范围。类似地，在发动机12的一些工作状况期间，诸如非常冷的环境空气47的温度，催化转化器90可能降至理想工作温度以下。废气流95中设置有一个或更多个废气传感器91，诸如废气温度(EGT)传感器和/或氧气(O₂)传感器。废气传感器91检测废气特性，诸如废气95的温度或废气95中的废气成分量。在一示例中，向ECU 60汇报O₂读数，该ECU 60可以确定是否满足临界废气成分比。为了达到废气成分阈值，通常需要催化转化器90在预定温度范围内工作。因此，期望发动机12在包括冷启动等在内的大多数(即使不是全部)状况下产生具有足够热能的废气，以有效地加热催化转化器90。

为了改善排放，许多制造商越来越多地转向使用压缩比越来越高的发动机12。例如，20世纪90年代的乘用车辆中典型的自然吸气汽油发动机12的压缩比为9.0:1到10.5:1。相比之下，21世纪10年代中期的乘用车辆中的许多自然吸气汽油发动机12的压缩比为10.0:1到13:1，并且在一些情况下甚至更高。压缩比增加可以导致有更少的燃料用于从汽油发动机12产生类似的功率和/或扭矩，从而有增加爆震或提前点火的风险。爆震和提前点火从根本上说是由燃烧室46内的空气-燃料混合物不受控地燃烧导致的。爆震和提前点火都可能损坏发动机12的内部部件，因此要尽可能避免。

内燃发动机12在不同的工作温度下也以不同的效率工作。具体地，在冷启动状况期间，相对于在较温暖的温度下，诸如发动机12和变速器14内的发动机油和变速器油的润滑剂的粘度增加。因此，与润滑剂被加热到高于冷启动温度之后相比，发动机12和变速器14的机械部件在冷启动时的摩擦损耗增大。因此，像催化转化器90一样，发动机12和变速器14具有最佳的工作温度范围。此外，期望发动机12、变速器14和其他部件(诸如催化转化器90)迅速达到最佳工作温度，以减轻摩擦效率低和不必要的燃烧排放。

现在转到图2和图3并且继续参照图1A和图1B，更详细地示出了用于进行伴有预燃室点火的进气47加热的系统11。为了提高发动机12的部件以及催化转化器90达到最佳工作温度的速率，发动机12配备有空气加热器92和点火预燃室94。空气加热器92联接或安装到进气管道73中的至少一个进气管道。空气加热器92可以采用各种不同的形式，但是通常包括电气联接到供能装置98的加热元件96。供能装置98将电能、机械能等传递到加热元件96中。加热元件96将来自供能装置98的电能、机械能或其他此类能量转换为热能。在一些示例中，供能装置98是电池(未具体示出)或其他此类电源供应器，ECU 60指示供能装置98产生热能和/或将热能传递给进气。加热元件96定位成与进气管道73中的空气47成热传递关系，使得加热元件96中的热能传递给空气47。加热元件96由支撑结构100支撑。

在一个示例中，加热元件96由导热和/或导电线或由金属、金属合金、陶瓷或其他此类材料形成的其他此类细丝形成。线材或类似材料形成为由多个成角度的弯曲部分104连接的多个线性部分102。成角度的弯曲部分可以以各种不同的成角度方法中的任何一种进行弯曲，但是在一个示例中，使用180度弯曲部。类似地，一些示例的加热元件96由通过多个弯曲部分104互相连接的导热和/或导电平面材料形成。因此，加热元件96的平面或线性部分102定位在弯曲部分之间。支撑结构100包括定位成与多个平面或线性部分102相邻的多个凸缘部分106，使得平面或线性部分102彼此间隔开并且定位成彼此基本平行。此外，一些示例的凸缘部分106与进气管道73接合，以将空气加热器92的位置固定在进气管道73内。

在一个示例中，空气加热器92限定滤芯，滤芯设置在缸盖44内的进气管道73中并与燃烧室46相邻。根据发动机12的构造和热特性，空气加热器92的滤芯可以设置在发动机12的进气管道73中的几个不同的位置。空气加热器92的滤芯可以放置到缸盖44的进气口52中，使得滤芯基本上不会阻碍通过进气口的气流，但是会将来自加热元件96的热能高效地传递到进气中。因此，加热元件96为每个进气口52限定了衬套(未具体示出)。在一些示例中，进气口衬套是大致为圆柱形的套筒，其设置在进气口52中，靠近或邻近燃烧室6，但在燃烧室46的外部。

在另一示例中，加热元件96包括设置在发动机12的进气歧管50中的导热模制部件(未具体示出)。更具体地，模制部件设计成进气歧管50的一部分，并且在制造过程中，模制部件被包覆成型到进气歧管50上，反之亦然。模制部件可以采用各种不同的形式，但是通常包括如上所述的加热元件96。然而，根据进气歧管50的形状和构造，加热元件96可以是进气歧管50的大致圆柱形的部分，其限定进气管道73、导管、通道等。为了将来自加热元件96的热能高效地传递给进气歧管50中的空气，加热元件96的形状和尺寸设置成提供与空气接触的最大表面积。因此，加热元件96可基本上限定进气歧管50的内表面的全部或其任何部分。类似地，加热元件96可具有通过多个成角度的弯曲部分104连接的多个线性部分102。一些示例的线性部分102是大致平面的叶片，并且在进气歧管50中定向成与通过进气歧管50的气流的方向基本平行。

现在参照图3并且继续参照图1A、图1B和图2，更详细地示出了点火预燃室94。为了进一步提高冷启动发动机12的预热过程的效率和功效，期望在燃烧室46中基本上点燃和燃烧全部的燃料和空气。在冷启动状况期间，以及在某些其他工作状况下，发动机缸体30、缸盖44和活塞16可能明显低于空气-燃料混合物的温度。另外，空气-燃料混合物可能不均匀。靠近燃烧室46的边界的空气-燃料混合物的温度和空气-燃料混合物的均匀性都可影响空气-燃料混合物燃烧的完全性。为了提高混合物的均匀性并更高效和完全地燃烧空气-燃料混合物，火花塞56不仅设置在缸盖44中，而且还设置在缸盖44中形成的预燃室94内。

预燃室94限定大致为圆柱形的螺纹夹具110，火花塞56插入螺纹夹具110中并以螺纹接合方式设置。火花塞56的尖端112设置在预燃室94上，预燃室94限定了通过壁114与燃烧室46隔开的小腔室。应当理解，预燃室94的精确形状和位置可因应用而有所不同，但在图3中示出为基本上处于进气阀54和排气阀86之间的燃烧室46的顶部。在图3的示例中，预燃室94基本上为半球形并且包围火花塞56的尖端112。即，将预燃室94和燃烧室46隔开的壁114为凸形并略微伸入燃烧室46。在一示例中，预燃室94的容积最大约为2立方厘米，然而，预燃室94的精确容积可因应用而有很大不同。穿过壁114形成有多个孔116，该多个孔116限定燃烧室46和预燃室94之间的多个流体连通路径。孔116的数量、取向和形状可因应用而不同。在几个示例中，穿过壁114形成有4至10个孔116。空气-燃料混合物被喷射或送入燃烧室46，并且在发动机循环的压缩冲程期间，当活塞16穿过汽缸18时，被压缩的空气-燃料混合物经由多个孔口116送入预燃室94。然后，火花塞56点燃预燃室94内的空气-燃料混合物，非常快地产生持续燃烧以及火焰锋，火焰锋在整个燃烧室46中迅速且高效地膨胀。

预燃室94点火快速引起持续燃烧使得发动机12通过在爆震或提前点火开始之前消耗空气-燃料来使用增加的压缩比。另外，通过将激活空气加热器92所提供的热增益与预燃室94相结合，发动机12的燃烧效率从第一效率水平提高到大于第一效率水平的第二效率水平。在几个方面，增加的燃烧效率既满足了排放目标，又增加了发动机12在低工作温度下(诸如在冷启动时)的燃料效率。在一示例中，为了满足排放目标和燃料效率目标，燃烧效率高于约95％。燃烧效率是燃烧过程中使用的燃料燃烧程度的量度。在一具体示例中，燃烧效率目标在约95％至约97％之间，其中“约”表示最大0.5％的变化。然而，应当理解，在不脱离本公开的范围或意图的情况下，根据发动机12的应用和规格，目标燃烧效率可能与上述不同。

现在转到图4并且继续参照图1至图3，描述了一种利用在汽油发动机12中用于进行伴有预燃室94点火的进气加热的系统的方法。方法200从方块202开始，在方块202，ECU60从机动车辆的用户接收启动命令。启动命令可以是用户将点火钥匙(未示出)移动到“接通”或“启动”位置，或者该命令可以是用户按下“发动机启动”按钮(未示出)或其他类似过程。同样地，配备有停止/启动技术的机动车辆10中的启动命令可以是预定制动踏板位置、预定加速踏板位置等。在方块204，ECU 60从传感器74接收数据并执行控制逻辑，该控制逻辑将测得的空气47和/或冷却剂温度与预定临界空气47和/或冷却剂温度进行比较。如果测得的温度低于阈值温度，那么ECU 60执行控制逻辑，该控制逻辑指示空气加热器92对加热元件96进行加热以将热能传递给进气。

在方块206，给发动机启动器(未具体示出)通电以使发动机旋转，并且经预热的进气47被吸入并穿过包括进气口68和进气歧管50的进气系统。然后，预热的进气47经由一个或更多个进气口52进入燃烧室46。更具体地，进气阀54打开，排气阀86关闭或正在关闭，并且允许空气通过进气口52进入燃烧室46。在方块206，燃料喷射器48将预定量的燃料喷射到进气口或燃烧室46中，这也取决于指定的燃料系统。ECU 60计算燃料量以与通过一个或更多个传感器74测得的已知进气量完全燃烧。在方块208，当活塞16在压缩冲程期间朝汽缸18内的缸盖44向上运动时，空气-燃料混合物被压缩且被迫通过壁114上的孔116并进入预燃室94。

在方块210，在活塞16行进的预定点处，ECU 60经由I/O端口66向火花塞56发送命令以产生火花。在方块212，火花点燃预燃室94内的空气-燃料混合物。因为与燃烧室46相比，预燃室94的容积相对较小，所以预燃室94内的空气-燃料混合物点燃。在方块214，由预燃室94内的点火产生的火焰锋穿过孔116，并且基本上穿过整个燃烧室46，在此过程中非常快速且完全地点燃和燃烧整个空气-燃料混合物。在方块216，在发动机循环的膨胀或动力冲程期间，燃烧反应产生的膨胀废气迫使活塞16向汽缸18的长度方向回缩。在方块218，排气阀86打开，活塞16在发动机循环的排气冲程中反向运动并且再次朝缸盖44向上运动。在方块220，排气阀86关闭或正在关闭，进气阀54打开，并且随着活塞16再次远离缸盖44并朝向汽缸18的底部，更多的空气和燃料被喷射或带入燃烧室46。

在方块222，当发动机12运行时，ECU 60监视发动机12的各种工作参数。在一些示例中，工作参数包括但不限于：废气温度、排放成分、催化转化器温度、发动机冷却剂温度、进气温度等。然后，ECU 60确定是否继续利用空气加热器92对进气进行预加热。在方块224，如果ECU 60确定发动机12的工作参数低于上述特性中的一个或更多个特性的阈值，那么ECU 60继续命令空气加热器92运行，并且方法200返回到方块202。在方块224，当ECU 60确定发动机12正以工作参数的阈值或高于工作参数阈值的阈值工作时，ECU 60命令空气加热器92关闭，并且方法200进入方块226。在一些具体示例中，当ECT传感器81向ECU 60通知发动机冷却剂温度为约85摄氏度或85摄氏度以上时，ECU 60命令空气加热器92脱离或关闭，并且允许发动机12启动或继续正常运行。在关闭空气加热器92时，ECU 60命令供能装置98断电，或者以其他方式停止向空气加热器92提供电能或热能。应当理解，提到85摄氏度仅旨在作为非限制性示例。

然而，如果在方块224，ECU 60确定发动机12以低于工作参数的一个或更多个阈值的情况下工作，那么该方法返回到方块202，并继续测量空气47和/或发动机冷却剂温度，将所测温度与阈值温度值进行比较，以及执行控制逻辑以继续利用空气加热器92，直到满足阈值温度值为止。即使在方块226，ECU 60也周期性地和/或连续地监视发动机12的工作参数。如果工作参数中的一个或更多个工作参数降至阈值以下，那么ECU 60命令空气加热器92打开，并且该方法200返回到方块202。例如，ECU 60使用ECT传感器81周期性地和/或连续地监视ECT。当ECT传感器81报告ECT在60摄氏度至85摄氏度之间时，ECU 60可以基于发动机12的性能、运行时间等命令空气加热器92仍然关闭。另外，ECU 60将IAT传感器80与ECT传感器81结合使用以确定发动机12是否正在预定温度参数内工作。即，当IAT传感器80报告空气47的温度在约15摄氏度至约25摄氏度之间并且ECT传感器81报告温度在约60摄氏度至85摄氏度之间时，ECU 60命令空气加热器92仍然关闭。然而，如果IAT传感器80报告空气47的温度为0摄氏度并且ECT传感器81报告ECT温度为60摄氏度，那么ECU 60可以命令空气加热器92接合并对进气47进行加热。同样地，如果IAT传感器80报告空气47的温度为40摄氏度并且ECT传感器81报告ECT温度为60摄氏度，那么ECU 60可以确定空气加热器92不需要对进气47进行加热。虽然上面已经讨论了具体的ECT和IAT，但是应当理解，与上述参考值相比的温度变化旨在包括在本公开的范围内。

一种用于在汽油发动机12中进行伴有预燃室点火方的进气加热的系统和方法具有几个优点。这些优点包括减少排放，提高发动机和催化剂的预热率以及维持或降低发动机和/或电气系统的复杂性。

本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化旨在包括在本公开的范围内。此类变化不应被视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有进气加热器的机动车辆内燃发动机，所述内燃发动机包括：

缸盖，限定燃烧室的一部分；

进气管道，通过至少一个进气口将新鲜空气送入所述燃烧室，所述进气口穿过所述缸盖而形成；

至少一个燃料喷射器，设置在所述缸盖或进气管道中并被选择性地激活以向所述燃烧室供应燃料；

所述缸盖中形成的预燃室，所述预燃室通过壁与所述燃烧室至少部分地隔开；

穿过所述壁形成的一个或更多个孔，所述一个或更多个孔提供从所述燃烧室到所述预燃室的流体连通路径并将来自所述燃烧室的空气和燃料的混合物送入到所述预燃室；

空气加热器，与所述进气管道耦合并被定位为与所述进气管道中的空气成热传递关系；以及

其中，所述一个或更多个孔还限定多个燃烧路径，以允许来自所述预燃室的被点燃的燃料和空气混合物高效地进入所述燃烧室并在所述燃烧室内燃烧所述燃料和空气混合物，其中选择性激活所述空气加热器和所述预燃室使得燃烧效率从第一效率水平提高到大于第一效率水平的第二效率水平。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，还包括：

发动机缸体，限定至少一个汽缸，所述汽缸具有纵向轴线；

活塞，安装在所述汽缸内并在所述汽缸内沿所述纵向轴线滑动，所述活塞与所述汽缸和所述缸盖一起限定所述燃烧室；

至少一个进气阀，设置在所述缸盖中并作用在所述进气口上且控制进入所述燃烧室的空气量；

至少一个传感器，所述传感器检测所述进气管道中空气的空气温度、发动机冷却剂温度或排气管道中废气的温度和化学成分；

所述排气管道通过至少一个排气口与所述燃烧室连通，所述排气管道穿过所述缸盖而形成并从所述汽缸中抽出废气，所述废气在空气和燃料的燃烧反应结束时形成；

至少一个排气阀，作用在所述排气口上且控制通过所述排气口离开所述燃烧室的废气量；

供能装置，向所述空气加热器提供电能，所述空气加热器将电能转换为热能并将热能传递给所述进气管道中的空气以在空气进入所述燃烧室之前对空气进行预加热；

火花塞，安装在所述预燃室内的缸盖上并在所述预燃室内起作用以周期性地且选择性地点燃所述预燃室中存在的燃料和空气混合物并引发燃烧反应；和

控制模块，与所述空气加热器、所述供能装置、所述火花塞和所述至少一个传感器电连通，所述控制模块具有用于存储控制逻辑的存储器、用于执行控制逻辑的处理器以及用于从所述至少一个传感器、所述空气加热器和所述供能装置接收数据和用于向所述空气加热器、所述供能装置和所述火花塞发送指令的多个输入/输出端口；以及

其中，所述控制模块执行控制逻辑以通过接合空气加热器对进气管道中的空气进行预加热来对进入所述燃烧室的空气进行预加热，以使所述燃烧室内空气和燃料混合物的燃烧反应的效率从第一效率水平提高到第二效率水平。

3.根据权利要求2所述的内燃发动机，其中所述空气加热器还包括：

加热元件，所述加热元件设置在所述进气管道中；和

支撑结构，用于支撑所述加热元件并将所述加热元件定位成与所述进气管道中的空气接触。

4.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述加热元件包括多个180度弯曲部和定位在所述180度弯曲部之间的多个平面部分；

其中所述支撑结构还包括定位成与所述多个平面部分相邻的多个凸缘部分，其中所述多个平面部分彼此间隔开并且定位成彼此基本平行。

5.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述加热元件限定设置在所述内燃发动机的缸盖内的进气管道中并与所述燃烧室相邻的滤芯，所述滤芯的一部分由导热材料形成。

6.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述加热元件包括：

进气口衬套，成形为容置在所述进气口中并且包括气道部分，所述气道部分允许空气流过所述进气口衬套并进入所述燃烧室，所述进气口衬套的至少一部分限定所述加热元件，其中所述加热元件由导热材料形成。

7.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述加热元件包括：

导热模制部件，所述导热模制部件设置在所述内燃发动机的进气歧管中。

8.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中在所述活塞朝向所述缸盖的运动期间，所述预燃室仅被送入所述燃烧室中存在的空气和燃料混合物。

9.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述预燃室和所述燃烧室之间的壁为凸形并伸入所述燃烧室。

10.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中所述预燃室具有多达约为2立方厘米的容积，并且其中所述预燃室和所述燃烧室之间的壁包括多达十个孔。

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