CN206221056U - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种内燃机，具有主燃烧室、预燃室、第一火花塞和第二火花塞。主燃烧室与预燃室流体连通。第一火花塞设置在预燃室内，用于点燃进料，以形成引入主燃烧室的火焰射流。第二火花塞设置在主燃烧室内，用于点燃主燃烧室内位于来自预燃室的火焰射流的路径上的进料。第二火花塞在第一火花塞点燃预燃室内的进料前点燃主燃烧室内的进料。本实用新型通过在内燃机的预燃烧室或预燃室中设置第一火花塞，在内燃机的主燃烧室中设置第二火花塞，通过控制第二火花塞在第一火花塞点燃预燃室内的进料前点燃主燃烧室内的进料，从而可以保证预燃室和主燃烧室中的进料完全燃烧，防止主燃烧室稀薄失火。

Description

内燃机
技术领域
本实用新型涉及一种内燃机。具体地，本实用新型涉及一种设置在内燃机的预燃室和主燃烧室中的火花塞，以防止稀薄失火。
背景技术
内燃机在运行过程中通常排放氮氧化物（“NOx”）。当氮和氧均存在于燃烧所用的空气中时，在主燃烧室中混合，便形成这些氮氧化物。通常，所形成的NOx水平随着燃烧室中的最高燃烧温度的升高而增加，由此，可以通过使主燃烧室中的最高燃烧温度最小化来减少NOx的排放。
为此，使用较稀薄的燃料混合物来降低主燃烧室中的最高燃烧温度，从而减少所排放的NOx的量。当与化学当量的空燃比相比时，稀薄的燃料混合物具有相对较大的空燃比。因此，在燃料混合物中使用更多的空气可以有利地减少NOx的排放。
进一步，多数内燃机采用火花塞在发动机循环中周期性地点燃空气/燃料混合物。然而，随着燃烧室尺寸的增加，火花塞诱导燃烧的效率降低。这种现象部分是因为火花塞所产生的电弧非常局部化。当空燃比较稀、以便减少排放并增加燃料效率时，这种情况尤其严重。例如，在大燃烧室中，可能需要相对较长的时间让燃烧过程在整个燃烧室中蔓延。此外，使用稀薄的空燃比可以导致不完全的燃烧，即主燃烧室中的稀薄失火。而且，主燃烧室中的湍流可能在稀薄空气燃料混合物燃烧之前使点火火焰熄灭。发动机中的稀薄失火导致功率输出下降以及未燃烧燃料的量的增加。在一些情况下，点火火焰的熄灭导致发动机停机。
为了将不完全燃烧的发生情况减至最少，一些内燃机结合了预燃烧室或预燃室。浓缩或非浓缩燃料都可以在这些预燃室中前进。在预燃室中的燃料点火产生燃烧燃料的射流，其被引入主燃烧室，从而点燃主燃烧室内的稀薄空气-燃料混合物。来自预燃室的射流火焰通常足以使主燃烧室中的稀薄空气燃料混合物完全燃烧。
美国第5,832,892号专利公开了一种主燃烧室和副燃烧室，以防止发动机爆震。主燃烧室和副燃烧室均具有火花塞，配置成点燃对应的燃烧室中的进料。第5,832,892号专利公开了在主燃烧室中的火花塞点火，以形成到达副燃烧室的入口开口的火焰锋。火焰锋到达入口开口之后，该入口开口打开。来自主燃烧室的火焰通过入口开口之后，副燃烧室中的火花塞点燃副燃烧室中的进料。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种内燃机，可以防止内燃机的主燃烧室稀薄失火。
在本实用新型的一个方面，公开了一种内燃机，包括主燃烧室、预燃室、第一火花塞和第二火花塞；所述主燃烧室与预燃室流体连通，所述第一火花塞设置在预燃室内，用于点燃进料，以形成引入主燃烧室的火焰射流；所述第二火花塞设置在主燃烧室内，用于点燃主燃烧室内位于来自预燃室的火焰射流的路径上的进料；所述第二火花塞用于在第一火花塞点燃预燃室内的进料前点燃主燃烧室内的进料。
进一步的，所述内燃机还包括用于将所述进料引入所述预燃室的进料阀。
优选地，所述第二火花塞设置成靠近所述主燃烧室的中心或者紧邻所述预燃室。所述预燃室设置在所述主燃烧室的中心部位。
又进一步的，所述内燃机还包括电子控制单元，其用于致动所述第一火花塞和所述第二火花塞，并控制所述第一火花塞和第二火花塞的点火正时。
本实用新型通过在内燃机的预燃烧室或预燃室中设置第一火花塞，在内燃机的主燃烧室中设置第二火花塞，通过控制第二火花塞在第一火花塞点燃预燃室内的进料前点燃主燃烧室内的进料，从而可以保证预燃室和主燃烧室中的进料完全燃烧，防止主燃烧室稀薄失火。
附图说明
图1示出了根据本实用新型的一个实施例的一种内燃机的横截面图，其中火花塞被致动；
图2示出了一种内燃机的横截面图，其中另一个火花塞被致动；
图3示出了一种内燃机的横截面图，其中在主燃烧室内引入火焰射流；
图4示出了根据本实用新型的另一个实施例的一种内燃机的横截面图。
具体实施方式
本实用新型涉及一种用于提高燃烧过程并防止失火的内燃机。图1示出了示例性发动机100，其配置成为任何车辆提供动力。在示例性实施例中，发动机100可以是用于地面作业机械的内燃机。在各种其它实施例中，发动机100可以是基于固态、液态或气态燃料而运行的任何发动机，其用于各种用途，比如汽车、建筑机械、任何运输车辆等。
参照图1，内燃机100的第一个实施例包括汽缸盖102和汽缸体104。汽缸盖102、汽缸体104和活塞106形成主燃烧室108。主燃烧室108用于容纳燃料/空气-燃料混合物，即进料。进料被燃烧，活塞106将进料燃烧所产生的驱动力传输至输出轴（未示出）。
主燃烧室108与预燃室110流体连通。预燃室110的容量小于主燃烧室108。预燃室110用于容纳浓缩或非浓缩的进料。在预燃室110中的进料点火产生进料燃烧的射流，其被引入主燃烧室108，从而点燃主燃烧室108中的稀薄进料。在一个实施例中，预燃室110可以是球形的，以促进预燃室110内部的涡流。如本领域的技术人员将认识到的，预燃室110可以是本领域已知的任何其它类型或形状。在图示的实施例中，预燃室110大体上设置在主燃烧室108的中间部分。在各种其它实施例中，预燃室110在其它位置处与主燃烧室108连通。
第一火花塞112设置在预燃室110中。第一火花塞112可以通过焊接或本领域已知的其它方法与预燃室110连接。第一火花塞112设置在预燃室110的顶部。在替代性实施例中，第一火花塞112设置在预燃室110的端部，靠近主燃烧室108的入口。在各种其它实施例中，第一火花塞112可以设置在预燃室110的其它位置。第一火花塞112可以是典型的J-间隙火花塞、导轨式火花塞、延长电极火花塞、激光火花塞或本领域已知的任何其它类型的火花塞。
进料进气阀120可以由进气凸轮（未示出）驱动，出口阀122可以由排气凸轮（未示出）驱动，从而控制进料的供应，以及控制进出主燃烧室108的燃烧产物的排放。
主燃烧室108具有第二火花塞126。第二火花塞126可以设置在进料进气阀120附近。在一个替代实施例中，第二火花塞126可以远离进料进气阀120。第二火花塞126用于点燃来自进料进气阀120的进料。第二火花塞126可以通过焊接或本领域已知的其它方法与主燃烧室108连接。
第二火花塞126设置在主燃烧室108的汽缸盖102上。在图示的实施例中，第二火花塞126大体上设置在主燃烧室108的中心。在各种其它实施例中，第二火花塞126可以设置在主燃烧室108的任何位置。第二火花塞126可以是典型的J-间隙火花塞、导轨式火花塞、延长电极火花塞、激光火花塞或本领域已知的任何其它类型的火花塞。
主燃烧室108和预燃室110通过至少一个连通通道128而彼此流体连通。从进料进气阀120喷射的进料被提供至主燃烧室108作为新鲜进料，并经由至少一个连通通道128被提供至预燃室110。
发动机100具有电子控制单元（ECU）130。电子控制单元ECU 130可以为数字计算机，其可以包括中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和输出界面。ECU 130接收代表各种发动机运行状态的来自各种传感器（未示出）的输入信号。例如，来自加速器开度传感器的加速器开度信号可以探测发动机负荷，来自水温传感器的水温信号可探测发动机温度，来自曲柄转角传感器的曲柄转角信号可探测曲轴（未示出）的角度位置，且其可为ECU 130所用以计算发动机旋转速度（例如，发动机100的每分钟转数）。为了响应于输入信号，ECU 130控制管理发动机100的运行的各种参数。例如，ECU 130可控制由进料进气阀120喷射的进料的量和正时，第一火花塞112的点火正时、第二火花塞126的点火正时。
根据发动机100的给定运行状态，ECU 130控制第二火花塞126的点火正时（即主燃烧室108的进料的点火）和第一火花塞112的点火正时（即预燃室110的进料的点火）之间的相位差。ECU 130控制第一火花塞112和第二火花塞126的致动使得第二火花塞126在通过预燃室110中的第一火花塞112点燃进料之前点燃主燃烧室108中的进料。
将参照图1-图3对发动机100和ECU 130的工作进行详细说明。ECU 130产生使进料进气阀120打开的输出信号，从而使浓缩或非浓缩的进料进入到主燃烧室108和预燃室110。参照图1，一旦进料进入到主燃烧室108和预燃室110，则ECU 130产生使第二火花塞126在主燃烧室108中形成火花的输出信号。这使主燃烧室108中的进料开始燃烧。活塞促进主燃烧室108中的进料的加热，从而通过使用来自预燃室110的火焰射流来增加预燃室108中的未燃进料完全燃烧的概率。
在致动第二火花塞126之后，ECU 130点燃第一火花塞112，从而导致如图2所示的预燃室110中的进料的点火。来自第一火花塞112的火花点燃预燃室110内的进料，这导致火焰射流（即燃烧进料的前端）穿过至少一个连通通道128并进入如图3所示的主燃烧室108。燃烧进料的前端（即来自预燃室110的火焰射流）通过至少一个连通通道128前进并进入第二火花塞126周围的主燃烧室108。
进入主燃烧室108的火焰射流点燃主燃烧室108内的热进料，从而驱动活塞106向下运动以旋转发动机100的曲轴用于产生机械输出。进一步，来自预燃室110的火焰射流通过主燃烧室108传播。来自预燃室110的火焰射流的路径中的第二火花塞126周围的高温使来自预燃室110的火焰射流更加稳定燃烧。
在一个实施例中，第一火花塞112和第二火花塞126的点火之间的差异可以驱动曲轴旋转5-10度。在其它实施例中，第一火花塞112和第二火花塞126的点火正时之间的差异可以使主燃烧室108中的进料是充分的以便通过第二火花塞126的点火而加热，从而为来自预燃室110的火焰射流提供较热混合物以更加稳定地点火。
现参照图4，提供了内燃机200的第二示例性实施例的一部分。在本实施例中，发动机200组件类似于图1的发动机100组件。这样，用于图1中的许多附图标记还用于图4。
图4的实施例和图1的实施例之间的一个差别为图4的实施例中预燃室进料阀136的存在。预燃室进料阀136用于使进料在活塞106的进气冲程期间流入预燃室110。在所示实施例中，ECU 130电连接至预燃室的进料阀136。ECU 130可控制由预燃室进料阀136喷射的进料的量和正时。
在所示实施例中，ECU 130产生使进料进气阀120位于打开位置的输出信号，从而使浓缩或非浓缩的进料前进到主燃烧室108中。进一步，ECU 130向处于待开启状态的预燃室进料阀136输出控制信号以在预燃室110中引入新鲜进料。一旦进料前进到主燃烧室108和预燃室110，则ECU 130产生使第二火花塞126致动以在主燃烧室108中形成火花的输出信号。进一步，ECU 130产生使第一火花塞112致动以在预燃室110中点火的输出信号，如以上实施例所述。
工业实用性
功率产生单元比如柴油发动机、汽油发动机和气体燃料发动机需要最佳量的空气/空气燃料混合物，以便以高效率产生高功率。然而，这些发动机在运行期间通常排放有害的氮氧化物（“NOx”）。当存在于用于燃烧的空气中的氮气和氧气在主燃烧室内混合时，这些氮氧化物即形成。由于所形成NOx的水平随着燃烧室内的最高燃烧温度的增加而增加，故使用较稀薄燃料混合物来降低主燃烧室中的最高燃烧温度，从而减少所排放的有害NOx的量。然而，稀薄的燃料混合物导致发动机内部的稀薄失火。这种熄火引起功率输出下降以及未燃燃料的量增加。为了使发动机中的燃烧过程产生的功率输出最小化以及使不完全燃烧的发生最小化，一些内燃机引入了预燃烧室或预燃室。将预燃室内燃料的点火产生的射流引入到主燃烧室的燃烧燃料，从而点燃主燃烧室内稀薄的空气燃料混合物。然而，单个火花塞可能不能将存在于预燃室和主燃烧室中的进料完全燃烧。
在本实用新型的一个方面中，设置在预燃室110和主燃烧室108上的第一火花塞112和第二火花塞126在图1中公开和示出。ECU 130用于控制第一火花塞112和第二火花塞126的致动正时。ECU 130向第二火花塞126产生使得在主燃烧室108中形成火花的输出信号。第二火花塞126的点火加热存在于主燃烧室108中的进料并燃烧存在于第二火花塞126周围的至少一些进料。这在如图2所示的至少一个连通通道128附近的火花塞周围产生高温区域（阴影区域）。
进一步，如图2所示，在致动第二火花塞126之后，ECU 130向第一火花塞112产生使得在预燃室中形成火花的输出信号。第一火花塞112的这种点火点燃预燃室110内的进料并形成燃烧进料的前端，即火焰射流。该火焰射流然后穿过至少一个连通通道128并进入如图3所示的第二火花塞126附近的主燃烧室108。至少一个连通通道128周围的高温使来自预燃室110的火焰射流的燃烧更加稳定。进一步，来自预燃室110的火焰射流点燃主燃烧室108内的热的未燃料进料，从而驱动活塞106向下运动以产生机械输出。
发动机100的压缩冲程完成后，ECU 130输出第一控制信号到第二火花塞126。通过第一控制信号致动第二火花塞126以在主燃烧室108内产生火花并引发进料在主燃烧室内燃烧。第二火花塞126在主燃烧室108内产生火花后，ECU 130将第二控制信号输出到第一火花塞112。通过第二控制信号致动第一火花塞112以在预燃室110内产生火花，点燃预燃室110内存在的进料并将火焰射流送入主燃烧室108。引发主燃烧室108内的燃烧使第二火花塞126周围形成高温区域，其促使点燃用于火焰射流的更高温混合物。在各种其它实施例中，ECU 130可以在压缩冲程过程中将控制信号输出到第一火花塞112和第二火花塞126。
在本实用新型的另一个方面，压缩发动机100在进料后，ECU 130输出第一控制信号以点燃第二火花塞126。第二火花塞126在主燃烧室108内产生火花并加热存在于来自预燃室110的火焰射流路径中的进料。第二火花塞126在主燃烧室108内产生火花后，ECU 130输出第二控制信号以点燃第一火花塞112。第一火花塞112产生火花并形成火焰射流，火焰射流被引入到主燃烧室108。这个火焰射流点燃存在于主燃烧室108内的加热进料。
虽然本实用新型的各方面已经具体示出并参照上述实施例进行说明，但本领域技术人员应该理解到在不脱离所公开内容的精神和保护范围的前提下，可以通过对所公开的机器、系统和方法做任何修改实现各种附加的实施例。这种实施例应被理解为属于根据所附权利要求书及其任何等同物所确定的本实用新型公开内容的保护范围。

Claims (6)

1.一种内燃机，其特征在于，包括：
主燃烧室，其与预燃室流体连通；
第一火花塞，其设置在所述预燃室内，用于点燃进料，以形成引入所述主燃烧室的火焰射流；以及
第二火花塞，其设置在所述主燃烧室内，用于点燃所述主燃烧室内位于来自所述预燃室的火焰射流的路径上的进料，所述第二火花塞用于在所述第一火花塞点燃所述预燃室内的进料前点燃所述主燃烧室内的进料。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括用于将所述进料引入所述预燃室的进料阀。
3.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述第二火花塞设置成靠近所述主燃烧室的中心。
4.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述第二火花塞紧邻所述预燃室。
5.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述预燃室设置在所述主燃烧室的中心部位。
6.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，还包括电子控制单元，其用于致动所述第一火花塞和所述第二火花塞，并控制所述第一火花塞和第二火花塞的点火正时。
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