CN1898468B - 用来点燃发动机的燃烧室内的燃料的方法、所属装置及发动机 - Google Patents

用来点燃发动机的燃烧室内的燃料的方法、所属装置及发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过向燃烧室(5)内射入在一位于燃烧室(5)外部的微波源(7)内产生的微波辐射来对发动机(2)的燃烧室(5)内的燃料进行点燃的方法，其中所射入的微波辐射被在燃烧室(5)内分布的燃料吸收，并且通过由于吸收所形成的向燃料内的能量输入燃烧大体积地在燃烧室(5)内均匀分布地并且基本上被同时点火、尤其是在整个燃烧室(5)内均匀分布地并基本上被同时点火，以及涉及一所属的点火装置(1)和所属的发动机(2)。

Description

用来点燃发动机的燃烧室内的燃料的方法、所属装置及发动机
技术领域
本发明涉及一种用来点燃发动机燃烧室内的燃料的方法以及一种所属的点火装置和所属的发动机。
背景技术
因为点火过程对内燃机的效率有决定性影响，特别是在规定的发动机功率时决定性地共同确定燃料消耗和有害物质排放，所以在过去为了优化点火过程已经作了大量努力。目前应用最普遍的点火装置采用火花塞，它们点燃燃料空气混合物。这些火花塞可以具有一个或几个电极。这些电极中的每一个产生一个点火火花，它点燃直接靠近电极周围的燃料空气混合物。因此燃烧首先在火花塞电极周围很小的初始体积内开始。接着燃烧以一无论如何是有限的速度扩展。
在DE 195 27 873 A1和US 5,136,994中介绍了一种炽热引火塞，为了降低点火所需要的能量消耗它具有一炽热部分的催化表面涂层。缺点是，一方面由于所需要的催化剂材料提高了制造成本，另一方面燃烧过程的改善不显著。US 4,774,914和US 6,595,194介绍了一种可以产生特别大的点火火花的点火装置。
US 4,113,315介绍了一种双腔点火法，其中燃料空气混合物通过点火源在一小的第一点燃腔内点燃，接着通过进入的火焰扩展使燃料空气混合物在较大的第二个空腔、汽缸本身内燃烧。US 4,499,872指出这种双腔点火法的一种改进方案，其中由电离的水和燃料组成的混合物借助于磁场和多个点火棒点燃。两腔点火法的共同点是，它们需要高的结构费用和制造费用。
由US 5,673,554和US 5,689,949已知一些点火法，其中采用微波能量使得在燃烧室内产生等离子，它点燃燃料空气混合物。这里等离子的产生主要取决于保持在形成谐振模式方面的严格的边界条件，这特别是在发动机活塞的上下运动方面造成可观的结构费用。此外微波发射器限制了发动机内活塞运动的路程。相应地对于US 5,845,480也一样。
US 5,983,871介绍了一种输入微波能量和激光能量以产生等离子的复合方法。通过这种方法更提高了点火装置和点火方法以及所属发动机的复杂性。相应地对于US 6,581,581也一样，它介绍了通过微波等离子以及原子化的燃料空气混合物的磁力电离点火的复合方法。
已知方法的一个共性是，它们需要复杂、价格高昂和维护工作量大的结构，此外只具有有限的使用寿命。此外燃烧过程和因此通过它驱动的发动机的有效功率和效率受限制。此外不能充分减少有害物质排放。特别是由于为了减少燃料消耗所实现的燃料空气混合物的贫油化获得了较低的燃烧温度，这导致较小的功率。此外较低的燃料温度造成更多的有害物质排放。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种用来点燃发动机燃烧室内的燃料的方法以及所属的点火装置和发动机，它们克服现有技术中的缺点。特别是按照本发明点火应该这样进行，使得燃烧过程得到优化，特别是在规定的功率时减少燃料消耗和降低有害物质排放。
本发明特别涉及一种通过向燃烧室内射入在一位于燃烧室外部的微波源内产生的微波辐射来点燃发动机燃烧室内的燃料的方法，其中所射入的微波辐射被在燃烧室内分布的燃料吸收，并通过由于吸收所形成的向燃料内的能量输入使得燃烧尤其是大体积地在燃烧室内均匀分布并且基本上同时启动，尤其是在整个燃烧室内均匀分布地并基本上同时启动。
通常在燃烧室内有燃料和氧气源的混合物，例如燃料空气混合物。由于活塞在汽缸内运动，所以燃料空气混合物在点火过程中常常受到压缩。微波辐射的射入最好这样地进行，使得在燃烧室内得到尽可能均匀的能量密度分布。为此微波窗口既可以是面积比较大的，也可以采用小面积的微波窗口。在后一种情况下有利的是，在微波辐射进入通常是圆柱形的燃烧室的入口部位设置一扩散装置，例如一合适的平面点状、线状或栅格结构，它促使微波以各向同性的方向特性射入燃烧室内。在某些情况下可以通过扩散器的造型达到在燃烧室内规定的能量密度分布。
微波的波长最好在0.1cm至45cm之间，特别是1cm至15cm之间，通常在3cm至10cm之间。在本发明一种优选的实施形式中微波脉冲式地射入，其中这里可以采用一个或多个微波脉冲。微波脉冲的功率取决于相应的应用场合，例如可以在1kW至70kW之间。脉冲持续时间例如可以在1nsec至2msec之间，其中在多微波脉冲时脉冲间隔通常在100nsec至2msec之间。
输入的微波能量直接用来同时和均匀地点燃整个燃料空气混合物。由于与活塞运动速度相比脉冲持续时间比较短，所以在脉冲持续时间内燃烧室容积的变化小得可以忽略不计。微波脉冲的功率必须选择得足够大，从而向燃烧室输入足够的点火能量。
通过输入的微波能量将在燃料空气混合物中存在的燃料滴加热至燃点，由此将混合物点燃。与现有技术不同，在本发明中避免产生等离子。
与已知点火系统不同，在本发明中点火不在燃料室内唯一的规定部位进行，因此不必接着比较慢地扩展，而是最好在整个燃烧室内几乎同时和均匀地点燃整个燃料空气混合物。
在已知点燃法中燃料空气混合物在内燃机内的燃烧过程分两个阶段进行：在第一个比较缓慢的所谓层流阶段内，层流火焰速度基本上限制发动机燃烧过程的速度，从而也限制其效率。特别是具有贫油化的混合物成分的现代内燃机的常见的层流火焰速度为约10cm/sec。在层流阶段后接着是作为第二阶段的所谓紊流燃烧阶段。从尽可能高的效率的观点来看始终应该尽可能快地达到第二个紊流燃烧阶段。现有技术中的一些工作也集中在这一方面，但是其中正如从前一样，为达到第二阶段必须经过第一阶段。
与此相反，按照本发明完全越过第一个缓慢的层流燃烧阶段，点火直接导致第二个快速的紊流燃烧阶段。
本发明还涉及一种用来实施本发明方法的点火装置。这里尤其是考虑脉冲高压电源作为电能供应源，它提供微波脉冲所需要的能量。例如可以采用磁控管、速调管、振动回转仪、行波管(TWT)等等作为微波源。可能的微波连接在其尺寸方面与微波源的波长匹配，以便使反射和功率损失尽可能小。微波导线有时也可以设计成柔性的。
在本发明一种优选实施形式中，在微波源和微波窗口之间设置一耦合装置，它一方面将微波源发射的微波传递给微波窗口，但是另一方面不使被燃烧室反射的微波传回微波源内。这种耦合装置特别是可以具有一三通(Dreitor)特别是一循环器，在其第一个门上连接微波源，在其第二个门上连接微波窗口，在其第三个门上连接一尤其是无源的微波消耗器。循环器有这样的功能，即将微波能从微波源转输到燃烧室内，同时将被燃烧室反射回来的微波能改道到无源微波消耗器上，无源微波消耗器吸收被燃烧室反射回来的微波能。由此使微波源防止受反射的微波辐射。为了改善循环器的减小反射回来的微波能的功能，循环器可以包含一充气的放电器。
微波窗口对于微波能量而言基本上是可穿透的，特别是还可以透射大的微波功率，另一方面使燃烧室对外密封。微波窗口的一种可能的实施形式是由陶瓷片构成，或者由兰宝石玻璃或其他合适的材料组成的盘构成。此外微波窗口还可以具有例如平面或三维结构，尤其是在表面上例如通过涂覆金属结构，通过这种结构保证微波能量的向燃烧室内的规定发射特性。
本发明还涉及一种具有按本发明的点火方法工作的点火装置的发动机。一种特殊的实施形式是汽油发动机、转子发动机、SIDI发动机(火花点火直喷发动机)或柴油发动机，在这些发动机中在燃烧室内点燃燃料空气混合物。
本发明通过这样的方法导致燃料空气混合物在本发明的发动机内的最佳燃烧，即，在整个燃烧室内通过燃料空气混合物的同时以及均匀的点火和燃烧不形成第一个缓慢的层流燃烧阶段，而是在点燃时直接开始第二个快速的紊流燃烧阶段。为此在整个燃烧室内产生小的涡旋的、相互独立地扩展的点火以及燃烧区，几乎同时产生数量非常大的点火以及燃烧区。相应地在整个燃烧室内燃料空气混合物几乎同时点火和接着燃烧。
通过采用多个微波脉冲使得在燃料空气混合物中存在的燃料滴被逐渐地加热直至达到燃点。由此避免在燃烧室内原则上不希望的不同的温度区，因为温度的逐步升高造成均匀性，从而最终造成在燃烧室内整个混合物实际上同时以及均匀的点燃。此外通过多脉冲防止原则上同样不希望的等离子产生。
附图说明
本发明其他的优点、特征和细节由从属权利要求和以下说明产生，在说明中参照附图对几个实施例进行详细叙述。其中在权利要求中和在说明书中所提到的特征可以分别单独地或以任意的组合作为本发明的内容。
图1示意表示本发明的点火装置的结构。
图2-4表示发动机的功率随燃料空气混合物中燃料量的减少(贫油化)的变化。
图5表示发动机一氧化碳含量随贫油化的变化。
具体实施方式
图1示意表示一用于同样仅仅示意表示的发动机2的本发明的点火装置1的结构，在发动机中仅仅表示汽缸3和在汽缸内上下运动的活塞4。活塞4和汽缸3围成燃烧室5，在燃烧室内有在理想情况下均匀分布的燃料空气混合物。在图1的视图中活塞4接近于上死点。
点火装置1首先包括一脉冲高压电源6，微波源7用脉冲高压电源6的能量工作。尤其是柔性的微波导线8的第一段与循环器10的一第一连接法兰9法兰形地连接。在与第一连接法兰9相对的一侧上循环器10具有一第二连接法兰11，它与一第二微波导线12法兰形连接，第二微波导线同样最好是柔性的并通向微波窗口13。
微波窗口13这样地固定在汽缸3的外壳面上，使得这样地向燃烧室5辐射微波，从而在燃烧室5内产生尽可能均匀的能量密度分布。在一种优选的实施例中微波窗口13由一陶瓷片组成，它这样地镶嵌在汽缸3内，使得燃烧室5对外密封。微波窗口13特别是在其朝向燃烧室5的一侧上具有结构14，通过它保证微波向燃烧室5内的扩散的辐射特性。
通过循环器10，按照通过箭头15表示的能量流通过第一连接法兰9输入的微波能量实际上不衰减地通过第二连接法兰11输送给微波窗口13，从而输入燃烧室5。在燃烧室5内出现的反射可能导致微波能通过第二微波导线12回射到第二连接法兰11内。然而在这种情况下循环器10保证微波能按箭头16改道，亦即不回到第一连接法兰9内，而是通过一第三连接法兰17，在此第三连接法兰17上连接一第三微波导线18，它将反射的能量流传送到一无源的微波消耗器19中。循环器10的连接法兰9、11、17也可以与图1中的图示相反分别按120°的角间距对称设置。
本发明的点火方法用本发明的点火装置在内燃机上进行了试验。这里内燃机是一个容积为1300cm3的4缸4冲程汽油机。发动机功率为63PS/46.6kW。在用普通点火系统运行时燃料消耗为约每100公里6.5升。
在这种批量生产的发动机中去除火花塞，在它的位置上装上作为密封件和微波窗口的陶瓷片。点火装置1的结构相应于图1。内燃机与一发电机机械连接，由此可以确定发动机功率。在发电机上连接一电阻用电器，它放在一水量热器内。
图2至4表示在三个不同的运行区，亦即在满负荷(图2)、半负荷(图3)和1/3负荷(图4)时发动机功率随燃料空气混合物中燃料量的减少(贫油化)的变化。贫油化因数理解为燃料份量减少到的分数，在图2至4的图示中从1/1出发减小到1/4.5-th。其中显示，在用本发明的点火装置运行时混合物中的燃料份量在满负荷时可以减少3倍，而功率不减小；在1/3负荷时这个因数甚至为3.5。
图5表示在本发明的发动机的废气内一氧化碳(CO)含量随燃料空气混合物中燃料浓度减小而减小。在因数为1时CO的浓度为0.05Vol％(体积百分比)，明显小于具有普通点火装置的标准发动机，在那里这个数值约为0.20Vol％。在燃料减少3倍时CO含量还可以下降到0.02Vol％。这意味着CO排放量减小10倍。在大致相同的功率时用本发明的点火方法每百公里只消耗约2.3升燃料，因此与用普通点火方法相比燃料消耗只有约1/3。

Claims (23)

1.一种通过向燃烧室(5)内射入在一位于燃烧室(5)外部的微波源(7)内产生的微波辐射对发动机(2)的燃烧室(5)内的燃料进行点燃的方法，其中在燃烧室(5)内分布的燃料将所射入的微波辐射吸收，并且通过由于吸收所形成的向燃料内的能量输入使得燃料的燃烧大体积地在燃烧室(5)内分布并且基本上同时启动，其特征在于，射入呈一个或几个持续时间短、能量高的微波脉冲的形式的微波辐射，通过选择微波辐射射入的持续时间和功率阻止在燃烧室(5)内形成等离子。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧在整个燃烧室(5)内均匀分布。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，还通过选择微波辐射的脉冲持续时间以及脉冲间隔阻止在燃烧室(5)内形成等离子。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，与发动机(2)的运行状态和对发动机(2)的功率要求相关地控制微波脉冲的数量和/或其功率和/或其脉冲持续时间。
5.按权利要求1至3之任一项所述的方法，其特征在于，采用1至10个微波脉冲。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，采用1至5个微波脉冲。
7.按权利要求5所述的方法，其特征在于，微波脉冲的功率在1KW至70KW之间、脉冲持续时间在1ns至2ms之间并且脉冲间隔在100ns至2ms之间。
8.按权利要求1至4之任一项的方法，其特征在于，对于点火过程而言射入多个具有不同功率和/或脉冲持续时间的微波脉冲，它们通过逐步的能量输入保证分布在燃烧室(5)内的燃料的温度升高均匀化，直至到达燃点。
9.用来点燃发动机(2)的燃烧室(5)内的燃料的装置(1)，其中装置(1)具有一设置在燃烧室(5)外的微波源(7)和一与微波源(7)连接的微波窗口(13)，并且微波辐射可通过微波窗口(13)射入燃烧室(5)，使得射入的微波辐射可被分布在燃烧室(5)内的燃料吸收，通过由于吸收所形成的向燃料内的能量输入使得大体积地在燃烧室(5)内分布的燃烧基本上同时启动，其特征在于，通过射入呈一个或几个持续时间短、能量高的微波脉冲的形式的微波辐射并且通过选择微波辐射射入的持续时间和功率阻止在燃烧室(5)内形成等离子。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，所述燃烧在整个燃烧室(5)内均匀分布。
11.按权利要求9或10所述的装置，其特征在于，还通过选择微波辐射的脉冲持续时间以及脉冲间隔阻止在燃烧室(5)内形成等离子。
12.按权利要求9所述的装置(1)，其特征在于，微波源(7)由一供电源(6)供电，所述供电源提供电脉冲，电脉冲可通过微波源(7)转化为微波脉冲。
13.按权利要求9或12所述的装置(1)，其特征在于，在微波源(7)和微波窗口(13)之间设置一耦合装置(10)，此耦合装置将由微波源(7)发射的微波传递给微波窗口(13)，但是不将被燃烧室(5)反射的微波传回微波源(7)中。
14.按权利要求13所述的装置(1)，其特征在于，耦合装置(10)设置在微波导线(8，12)的路线内。
15.按权利要求13所述的装置(1)，其特征在于，耦合装置(10)具有一个三通，在其第一个门上连接微波源(7)，在其第二个门上连接微波窗口(13)，在其第三个门上连接一微波消耗器(19)。
16.按权利要求15所述的装置(1)，其特征在于，所述三通是循环器(10)。
17.按权利要求15或16所述的装置(1)，其特征在于，微波消耗器(19)是无源的。
18.按权利要求9或10所述的装置(1)，其特征在于，微波窗口(13)具有陶瓷材料或完全由陶瓷材料组成。
19.按权利要求9或10所述的装置(1)，其特征在于，微波源(7)与微波窗口(13)通过微波导线(8，12)连接。
20.按权利要求19所述的装置(1)，其特征在于，微波导线是柔性的。
21.具有一按权利要求9至20之任一项所述的用来点燃发动机(2)的燃烧室(5)内的燃料的装置(1)的发动机(2)。
22.按权利要求21所述的发动机(2)，其特征在于，该发动机是一汽油发动机或柴油发动机，并且燃料空气混合物在燃烧室(5)内点燃。
23.按权利要求21所述的发动机(2)，其特征在于，该发动机是转子发动机或火花点火直喷发动机，并且燃料空气混合物在燃烧室(5)内点燃。
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